Wie kommt das Futter ins Schwarze Loch?

Magneto-Rotations-Instabilität arbeitet gegen die Fliehkraft

Es klingt so einfach: Schwarze Löcher sind immer hungrig und gefräßig und verschlingen alles, was ihnen in die Quere kommt (Heiße Geheimnisse des schwarzen Monsters). Doch damit Materie wirklich kommentarlos im schwarzen Loch versinkt, muss sie schon sehr genau auf dessen Zentrum gezielt sein. Führt ihr Weg dagegen, was weit wahrscheinlicher ist, seitlich am Zentrum vorbei, so geht sie in eine Kreis- oder Ellipsenbahn um das schwarze Loch, fällt aber nicht hinein – und das arme Monster bleibt hungrig. Nur ein „Schmutzeffekt“, die sogenannte Magneto-Rotations-Instabilität (MRI), kann dies verhindern.

Im Forschungszentrum Rossendorf, das sich gerade in Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) umbenannt hat, um die steigende Popularität von Dresden zu nutzen (Erfolgsspuren und Abstellgleise), und sicherlich auch, um die frühere Geschichte der Kernforschung in diesem Institut zu DDR-Zeiten loszuwerden, ist man sehr aktiv und lässt rohe Kräfte auf kleinen Räumen walten: Vor einigen Tagen wurde am 24. November 2006 der erste Magnet für das Hochfeld-Magnetlabor feierlich – übrigens nicht mehr mit dem üblichen peinlichen roten Knopf, sondern moderner per Mausklick – in Betrieb genommen. Dieser erreicht in kurzen Impulsen bis zu 100 Tesla, also 100.000-fach stärker als übliche Haushaltsmagnete in Hufeisenform, 2,5 Millionen Mal so stark wie das Erdmagnetfeld und immer noch hundertmal stärker als die Magnetfelder, die sich typischerweise in heutigen Kernspintomografen finden.

Blick ins Hochfeld-Magnetlabor des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf (Bild: Forschungszentrum Dresden-Rossendorf)

Dieser ultrastarke Magnet, der an der Grenze des technisch Machbaren gebaut ist, soll nicht nur für die geläufigen Forschungszwecke wie Plasmaeinschluss genutzt werden, sondern später in der Serienfertigung Autoteile durch seine Kraftfelder in die gewünschte Form bringen. Allerdings müsste man ein derartig gefertigtes Auto nach dem Zusammenbau noch einmal gründlich entmagnetisieren, damit es an der roten Ampel oder in der Parklücke nicht plötzlich von ganz alleine sich dem Vordermann annähert und mit einem lauten Knall an diesem andockt, wenn sein Besitzer die Handbremse nicht fest genug angezogen hat...

Kompakt-Teilchenbeschleuniger für den Klinikkeller

Ein weiteres Projekt des Forschungszentrums ist es, kompakte Teilchenbeschleuniger auf Laserbasis zu entwickeln, die statt der heute üblichen, teuren und unhandlichen, unterirdischen Beschleunigerringe oder einem Platz am Atom-Ei beispielsweise in Kliniken installiert werden können, um dort für die Krebstherapie verwendet zu werden. Im Herbst 2007 soll der erste derartige Superlaser getestet werden, der Impulse von stolzen 100.000.000.000.000 W (100 Terawatt, 100 Billionen Watt) und allerdings nur 30 billardstel Sekunden (30 Femtosekunden) Strahlungsdauer abgeben soll. Dies sind nur etwa 10 Lichtwellen-Schwingungen – ein extrem kurzer Impuls, der damit nicht die sonst von Lasern gewohnte schmalbandige Abstrahlung bieten dürfte. Die Wellenlänge von 800 nm liegt im nahen Infrarot.

Mit diesen Extremimpulsen, die dennoch aus einem relativ kompakten Gerät kommen werden, lassen sich die Teilchen nun auf einer Strecke von wenigen Millimetern statt bisher hunderten von Metern beschleunigen. So können beispielsweise Elektronen beschossen werden, was spektral besonders reine Röntgenstrahlung erzeugt, oder Protonen, die auf diese Weise beschleunigt werden. Auch die Erzeugung von Materie-Antimaterie-Paaren erhofft man sich auf diese Art. Und natürlich will man mit diesen Magnetfeldern auch auf dem Bereich der Supraleitung, der Nanotechnik und der Halbleiterphysik forschen.

Wie gelangt Materie ins Schwarze Loch?

Doch auch mit kleineren Magnetfeldern werden in Dresden-Rossendorf Prozesse erforscht, die in der Natur gewaltige Energien umsetzen und selbstverständlich nicht 1:1 im Labor nachvollzogen werden, nämlich die Physik der schwarzen Löcher. Konkret ging es hierbei um die Frage, wieso überhaupt Materie in ein schwarzes Loch fällt – schließlich fällt die Erde auch nicht in die Sonne, sondern umkreist sie theoretisch bis in alle Ewigkeit und in der Praxis so lange, bis die Sonne in einigen Milliarden Jahren zum Roten Riesen wird und die Erde verschluckt. Nur wenn die Erde von einer unbekannten Kraft abgebremst würde, sodass sie auf eine immer näher an die Sonne verschobene Umlaufbahn herunter rutscht, würde sie schließlich in die Sonne fallen.

Schematische Zeichnung des PROMISE-Versuchsaufbaus: die flüssige Metallmischung Galliumindiumzinn ist grau gezeichnet, das Trägerrohr aus dem Baumarkt fehlt in diesem Schema (Bild: Forschungszentrum Dresden-Rossendorf)

Bei der Erde ist eine derartige Kraft nicht zu befürchten, doch die um die Schwarzen Löcher rotierenden Massen fallen schließlich hinein – dies ist eine bekannte Tatsache. Was bremst sie also in ihrer Rotation ab und führt sie in den Schlund des Verderbens?

1991 haben die Wissenschaftler Steven A. Balbus und John F. Hawley theoretisch eine Kraft vorausgesagt, die genau dies bewirken könnte, die sogenannte Magneto-Rotations-Instabilität (MRI). Diese Kraft soll bewirken, dass die meisten um Sterne kreisende Materie schließlich in diese fällt und sie damit überhaupt erst entstehen lässt. Ebenso soll sie dafür sorgen, dass dem schwarzen Loch der Materienachschub nicht ausgeht und es nicht vor den um es kreisenden Fleischtöpfen verhungert. Doch war es bislang nicht möglich, die Existenz dieser Kraft nachzuweisen.

Forscher des Astrophysikalischen Institut Potsdam (AIP) haben dies nun gemeinsam mit Forschern des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf geschafft, und zwar im sogenannten PROMISE, was für Potsdam ROssendorf Magnetic InStability Experiment stehen soll. In diesem Experiment wurde nicht nur High-Tech eingesetzt, sondern unter anderem auch ein einfaches Abwasserrohr aus dem lokalen Baumarkt, auf das eine Spule zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes gewickelt wurde. In diesem Rohr samt Spule sind wiederum zwei rotierende Kupferzylinder untergebracht, von denen der äußere doppelt so groß ist wie der innere. In den Spalt zwischen den beiden Zylindern wird flüssiges Metall eingeführt, das bei unterschiedlichen Drehzahlen der beiden Zylinder ebenfalls ins Rotieren gerät.

Die Unstabilität der Strömung, die mit Ultraschallsensoren nachgewiesen wird, tritt nur in einem bestimmten Strombereich auf (Bild: Forschungszentrum Dresden-Rossendorf)

Diese an sich stabile Strömung wird im Experiment unter dem Einfluss eines externen, schraubenförmigen Magnetfelds instabil und hydrodynamisch gesehen turbulent, was sie abbremst. Genau dies ist der gesuchte Effekt, die Magneto-Rotations-Instabilität, was die Wissenschaftler in den Physical Review Letters und den Astrophysical Journal Letters" veröffentlichten. (Wolf-Dieter Roth)