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Künstlerische Darstellung eines Gasrings Hamburger Sternwarte - Forschung: Bp-Sterne
Auswirkungen von Wind, Magnetfeld und Rotation bei heißen Sternen


Eine sehr schwache Kraft mit sehr großräumigen Wirkungen ist die Coriolis-Kraft. Auf der Erde ist sie für die unterschiedliche Drehrichtung von Hoch- und Tiefdruckgebieten auf Nord und Südhalbkugel verantwortlich. Weniger bekannt ist die einseitig stärkere Abnutzung von Eisenbahnschienen, die in Nord-Süd-Richtung verlaufen, bzw. die stärkere Erosion eines Ufers von Flüssen in Nord-Süd-Richtung. Diese Kraft ist auch bei Teilchen zu beobachten, die sich aufwärts oder abwärts bewegen. Der Grund ist, dass ein Teilchen das mit der Erde bewegt wird (Erdrotation), größere Wege zurücklegen muß, wenn es weiter von der Rotationsachse entfernt ist. Stellen wir uns vor, dass wir ein Teilchen senkrecht nach oben schießen, wobei seine Geschindigkeit (nähmlich die der Erdoberfläche) in Richtung der Erdrotation konstant bleibt. Da es aber auf einem größeren Kreisbogen einen weiteren Weg zurücklegen muß, wird dieses Teilchen gegenüber der Erdoberfläche zurückbleiben. Seine Bahn ist die einer (Archimedischen) Spirale. Jetzt ist zu verstehen, warum die Coriolis-Kraft bei Sternwind (Bewegung nach oben) und vorhandenem Magnetfeld (dieses legt die Bahn der Bewegung fest, wie eine Schiene) eine entscheidene Bedeutung erlangt.

Solange sich die Teilchen auf Magnetfeldbahnen bewegen, die denen der Archimedischen Spirale entsprechen, werden sie nicht behindert. Nehmen wir jedoch das Beispiel aus Abb. 3. Hier liegt der Magnetpol am Rotationsäquator (wir schauen also in Richtung der Rotationsachse). Ein Teilchen, das am Magnetpol den Stern verläßt, würde ohne Magnetfeld sich entlang einer Archimedische Spirale bewegen, die schräg zur Magnetfeldrichtung verläuft. Damit bewegt sich das Teilchen auf einer Spiralbahn um die Magnetfellinie. Die Gyration der Teilchen wird im Allgemeinen die Kopplung zwischen den Teilchen verstärken.

Abbildung 3:Magnetfeldlinien (gestrichelt) und Bahnkurven eines rotierenden Sterns ohne Magnetfeld. Die Rotationsachse ist senkrecht zur Bildebene, die Rotationsrichtung ist entgegen dem Uhrzeigersinn.

Es gibt wie aus Abb. 3 zu sehen ist, zwei Gebiete, rechts oben und links unten, wo die Magnetfeldlinien in weiten Bereichen einen ähnlichen Verlauf haben wie die Bahnkurve eines freien Teichens. Hier ist der Einfluß der Coriolis-Kraft am geringsten und die Kopplung der Teilchen am geringsten wodurch eine Abkopplung von den wingetriebenen Metallionen möglich wird. Auf den gegenüberliegenden Seiten ist die Kopplung stärker, da hier die Bahnkurven und die Magnetfeldlinien fast senkrecht aufeinander stehen, hier ist also ein homogener Wind zu erwarten.

Das Modell: Diese Sterne können am besten durch das Modell des sogenanten schiefen Rotators erklärt werden. Schief bedeutet, dass wie in den meisten Fällen Rotations- und Magnetfeldachse nicht zusammenfallen: oft stehen beide Achsen nahezu senkrecht aufeinander. Das Modell hängt ferner von der Rotationsgeschwindigkeit des Sterns ab (Coriolis-Kraft!). Für ein gegebenes Modell können wir für jeden Ort auf der Sternoberfläche den Winkel zwischen der Bahnkurve und der Magnetfeldlinie (wie in Abb. 3) bestimmen. Ist dieser Winkel kleiner als ein bestimmter Grenzwert, so ist eine Abkopplung von Helium noch möglich. Die Metalle können zwar noch den Wasserstoff mitnehmen, Helium aber nicht mehr. Die Kopplung ist zu gering und Helium reichert sich in der Sternatmosphäre an. Hier entsteht ein He-reicher Fleck. Bei größerem Winkel wird durch die Coriolis-Kraft die Gyration und damit die Kopplung zu den treibenden Elementen verstärkt Bei Winkeln nahe 90° wird sich kein Wind entwickeln.

Abb. 4 zeigt, wie sich diese Fläche in Abhängigkeit von der Neigung der Magnetfeldachse zur Rotationsachse verändert und verschiebt. Die 3 Farben haben dabei folgende Bedeutung.

  • Rot: Alle Elemente außer Helium verlassen die Sternoberfläche, wodurch sich Helium anreichert. Die Windgeschwindigkeit ist gering, da die windgetriebenen Elemente noch Wasserstoff und Helium mitschleppen mußten.
  • Blau: Hier verlassen alle Elemente den Stern bzw. fallen gemeinsam zurück, falls die Fluchtgeschwindigkeit nicht erreicht wird.
  • Grün: Gebiet um den magnetischen Äquator. Hier sollte der Wind weitgehend unterdrückt sein.

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Abbildung 4: Blick auf den Magnetpol bei drei verschiedenen Neigungen der Magnetfeldachse (0°, 60°, 90°). Deutlich ist die unterschiedliche Position des Heliumflecks (rot) zu erkennen.

Animation (5.3 MB!): Wir beginnen mit der Sicht auf einen Magnetpol, wobei dieser mit dem Rotationspol zusammenfällt. Dann werden i (Neigungswinkel der Roatationsachse zum Beobachter) und ß (Neigungswinkel der Magnetfeldachse zur Rotationsachse) gleichzeitig vergrößert, bis die Rotationsachse in der Bildebene liegt und damit die Magnetpole am Rotationsäquator. In diesem Fall ist die stärkste Verschiebung des Heliumflecks gegenüber dem Magnetpol zu beobachten. Dann wird nach einer kurzen Pause noch das Verhältnis Wind-/Rotationsgeschwindigkeit verändert, d.h. die Verschiebung des Flecks bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit aber kleinerer Windgeschwindigkeit. Die Animation kann auch als ZIP-file (950k) download. oder gzip-file (950k) download geladen werden.

Da wir Sterne im Übergangsbereich mit bereits schwachen Winden betrachten, können durch die auftretenden Coriolis-Kräfte neue physikalische Effekte in Erscheinung treten.

Diffusion oder Fraktionierung im Wind



Thursday, 24-Nov-2011 09:43:09 CET | D.Groote