Turbulenzen in interstellaren Gaswolken zeigen multifraktale Strukturen

In interstellaren Staubwolken müssen Turbulenzen erst verschwinden, bevor sich durch die Schwerkraft ein Stern bilden kann. Ein deutsch-französisches Forscherteam hat gerade entdeckt, dass die kinetische Energie der Turbulenz auf kleinstem Raum im kosmischen Maßstab von einem bis zu mehreren Lichtjahren immobilisiert ist. Auch bei der mathematischen Methode gelangte die Gruppe zu neuen Ergebnissen: Bisher wurde die turbulente Struktur des interstellaren Mediums als selbstähnlich – oder fraktal – bezeichnet. Die Forscher fanden heraus, dass es nicht ausreicht, die Struktur mathematisch als einzelnes Fraktal zu beschreiben, eine selbstähnliche Struktur, die der Mandelbrot-Menge bekannt ist. Stattdessen fügten sie mehrere verschiedene Fraktale hinzu, die als Multifraktale bezeichnet werden. Mit den neuen Methoden lassen sich somit die strukturellen Veränderungen astronomischer Bilder lösen und detailliert darstellen. Auch Anwendungen in anderen wissenschaftlichen Bereichen wie der Atmosphärenforschung sind möglich.

Das deutsch-französische Programm GENESIS (Generation of Structures in the Interstellar Medium) ist eine Kooperation zwischen dem Institut für Astrophysik der Universität zu Köln, dem LAB der Universität Bordeaux und Geostat / INRIA Institut Bordeaux. In einer Flaggschiff-Publikation der Zeitschrift Astronomie & Astrophysikpräsentiert das Forschungsteam neue mathematische Methoden zur Charakterisierung von Turbulenzen am Beispiel der Molekülwolke Musca im Sternbild Musca.

Sterne bilden sich in riesigen interstellaren Wolken, die hauptsächlich aus molekularem Wasserstoff bestehen – dem Energiespeicher aller Sterne. Dieses Material hat eine geringe Dichte, nur wenige Tausend bis mehrere Zehntausend Partikel pro Kubikzentimeter, aber eine sehr komplexe Struktur mit Verdichtungen in Form von „Büscheln“ und „Filamenten“ und möglicherweise „Kernen“, aus denen Sterne bestehen entsteht durch den gravitativen Kollaps von Materie.

Die räumliche Struktur von Gas in und um Wolken wird durch viele physikalische Prozesse bestimmt, von denen einer der wichtigsten die interstellare Turbulenz ist. Dies geschieht, wenn Energie von großen Skalen, wie galaktischen Dichtewellen oder Supernova-Explosionen, auf kleinere Skalen übertragen wird. Turbulenzen sind von Strömungen bekannt, in denen eine Flüssigkeit oder ein Gas „gerührt“ wird, können aber auch Wirbel bilden und kurze Perioden chaotischen Verhaltens, sogenannte Intermittenzen, aufweisen. Damit sich jedoch ein Stern bilden kann, muss das Gas aufhören, dh die kinetische Energie muss abgebaut werden. Danach kann die Schwerkraft genug Kraft ausüben, um die Wasserstoffwolken zu sammeln und einen Stern zu bilden. Daher ist es wichtig, die Energiekaskade und den damit verbundenen Strukturwandel zu verstehen und mathematisch zu beschreiben.

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Weitere Informationen zu GENESIS:
astro.uni-koeln.de/stutzki/research/genesis

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