6. FORTSETZUNG

          6.8 AN FELDERN AUSGERICHTETE STRÖME

Im      Weltraum      ist      der      neutrale Gasdruck                 für                 gewöhnlich vernachlässigbar.      Deshalb      kann      die Balance   zwischen   der   Kraft   I   x   B    und   der Kraft   des   Druckes   nicht   vorkommen.   Der einzige    Weg,    auf    dem    diese    Situation wieder    aufgelöst    werden    kann,    ist    der, dass   I   x   B    verschwindet.   Das   setzt   voraus, dass    I   und   B    (Stromrichtung   und   Magnetfeldrichtung)   parallel   gerichtet sind. In der Vektorrechnung ist das Kreuzprodukt dann Null. Wenn    andere    magnetische    Felder    vorhanden    sind,    von    denen bekannt   ist,   dass   es   sie   im   größten Teil   des   kosmischen   Raums   gibt,   dann muss   die   Kraft      I   x   B    unter   Nutzung   des   gesamten   Magnetfeldes   berechnet werden,   das   heißt,   durch   Addition   des   dem   Strom   eigenen   B    zu   dem allgemeinen B , wobei Vektorrechnung angewendet wird. Deshalb    richten    sich    im    Weltraumplasma    der    Strom     I    und    das Gesamtmagnetfeld   B    parallel   zueinander   aus.   Mit   anderen   Worten,   der Strom folgt dem Magnetfeld: es ist ein “am Feld ausgerichteter” Strom. Sogar   wenn   es   keine   externes   Magnetfeld   gibt,   werden   alle   kleinen Elemente    des    Stromflusses    in    einem    Plasma    dazu    tendieren,    sich    in größeren     Strömen     natürlich     zu     akkumulieren,     welche     ihre     eigenen Magnetfelder erzeugen und so die Filamente des Stroms aufrechterhalten. Was     passiert,     ist,     dass     Elektronen     nahe     des     Zentrums     des Filaments   in   fast   geraden   Linien   fließen   und   ein   azimutales   Magnetfeld   um   sich   herum   erzeugen.   Vom   Zentrum   weiter entfernte   Elektronen   werden   durch   diese   azimutale   Komponente   des   Magnetfeldes   beeinflusst   und   bewegen   sich   auf einer   mehr   spiralförmigen   Bahn,   die   an   der   Hauptstromrichtung   ausgerichtet   ist.   Diese   spiralförmige   Bewegung schafft   gestrecktere   Magnetfeldlinien   nahe   der   Achse,   wie   im   nachfolgenden   Diagramm   abgebildet.   Je   näher   sie   dem Zentrum des Filaments sind, umso gerader sind die magnetischen Feldlinien und die Bahnen der Elektronen. Jedes    einzelne    Elektron    im    Strom    fließt    deshalb    entlang    der    Magnetfeldausrichtung    in    seiner    eigenen Umgebung,   aber   alle   zusammen   erhalten   das   Filament   –   sogar   ohne   ein   externes   magnetisches   Feld.   Das   bedeutet, dass sehr große Ströme aus sehr kleinen Strömen vereinigt und über große Entfernungen übertragen werden können. Eine   andere   Betrachtungsweise   ist   die   Berücksichtigung   des   elektrischen   Widerstandes   von   Plasma.   Strom, der   quer   zur   Richtung   des   Magnetfeldes   fließt,   wird   wegen   des Terms   U   x   B    der   Lorentzkraft   mehr   Widerstand   erfahren als   Strom,   der   entlang   der   Richtung   des   Magnetfeldes   fließt.   Im   Grunde   ist   der   parallele   Widerstand   weniger   groß   als der    senkrechte    Widerstand,    sodass    der    Strom    dazu    tendiert    in    Übereinstimmung    mit    der    Ausrichtung    des Magnetfeldes zu fließen.

6.9 SELBSTEINSCHNÜRUNG VON STRÖMEN

Die   detaillierte   mathematische Analyse   zeigt,   dass    I    und   B    in   einer   solcher   Weise   interagieren,   dass   beide,   I    und B     dazu    tendieren    sich    parallel    zueinander    spiralförmig    um    eine   Achse    zu    bewegen,    wobei    sie    am    externen    B   ausgerichtet   sind.   Der   resultierende   Effekt   ist   der,   dass   I   und   B    beide   einem   spiralförmigen   Pfad   mit   der   Richtung   des externen Feldes B  folgen. Es   wurde   auch   festgestellt,   dass   die   Interaktion   zwischen   der   axialen   und   der   azimutalen   (Ring-)   Komponente der   spiralförmig   verlaufenden      I   und   B    dazu   führen,   dass   sowohl   I    als   auch   B ,   weitgehend   zu   einem   Zylinder   mit   einem definierten Radius, dessen Zentrum die Achse ist, eingeschnürt werden. Zusammenfassend   führt   die   Abwesenheit   eines   merklichen   Druckes   im   Weltraumplasma    dazu,   dass   Ströme, ausgerichtet   an   der   allgemeinen   Magnetfeldrichtung ,   in   zylindrischen   Filamenten   fließen.   Innerhalb   der   zylindrischen Filamente   bewegen   sich   beide,   Strom   und   Magnetfeld,   spiralförmig   um   die   Achse   des   Zylinders,   wobei   sie   parallel zueinander bleiben. Man   beachte,   dass,   falls   aus   irgendeinem   Grund   die   parallele   Ausrichtung   zwischen   I      und   dem   gesamten   B   gestört   wird,   dann   eine   Kraft   I   x   B    entsteht,   die   entweder   eine   radiale   Kompression   oder   radiale   Expansion   verursacht, in   Abhängigkeit    davon,    welche    der    zwei    Kräfte    axialer    ist.    Deshalb    kann    es    zur    Einschnürung    [Pinching]    eines Filaments kommen, weil zum Beispiel Änderungen in den Feldern erfolgen, durch die die Stromfilamente fließen.

6.10 STABILITÄT VON STROMFILAMENTEN

Ein     anderer     bedeutender     Faktor     ergibt     sich     aus     der     mathematischen     Analyse.     Das     kraftfreie     oder feldausgerichtete   Arrangement   ist   ein   Zustand   minimaler   Energie   für   den   darin   fließenden   Strom.   Das   bedeutet,   dass dem   am   Feld   ausgerichteten Arrangement   Stabilität   wesenseigen   ist.   Solange   es   nicht   durch   externe   Faktoren   gestört wird, tendieren die Ströme dazu, an dem Magnetfeld ausgerichtet zu bleiben. Wir    haben    jetzt    gesehen    wie    an    Feldern    ausgerichtete    Ströme    über    große    Entfernungen    erhalten    bleiben können.   An   Feldern   ausgerichtete   Ströme   sind   daher   eine   viel   wahrscheinlichere   Erklärung   für   die   stark   gebündelten (parallel   fließenden)   “Jets”,   die   man   sich   über   Hunderttausende   von   Lichtjahren   ausdehnen   sehen   kann,   als   die Erklärung   des   Gravitationsmodells,   die   auf   dem   konventionellen   Fluss   von   Fluiden   basiert   (siehe   Punkt   6.6   oben).   Das UK-Radioobservatorium   Jodrell   Bank    hat   in   seinem   Atlas   of   DRAGNs    (Double   Radiosource   Associated   with   Galactic Nuclei)   eine   große   Menge   verschiedener   Bilder   von   galaktischen   Jets   im   Radiowellenbereich   gesammelt.   Ein   solches Bild wird unten gezeigt, das einen typischen Doppel-Jet zeigt: Die   Einschnürung   von   an   Feldern   ausgerichteten   filamentären Strömen    zu    definierten    Stromzylindern    durch    elektromagnetische Kräfte      steht      auch      in      Übereinstimmung      mit      der      fallenden Charakteristik        von        J-V-Kurven        in        Entladungsröhren        in Laborversuchen.   Wenn   das   Plasma   im   Glimm-Modus   ist,   was   im Weltraumplasma   bedeuten   kann,   dass   es   in   Wellenlängen   außerhalb des     sichtbaren     Bereichs     glimmt,     dann     wird     der     Radius     des Stromzylinders   durch   eine   Kombination   von   Wirkungen   elektrischer und   magnetischer   Felder   und   der   Form   der   Stromdichte-Spannungs- Kurve   bestimmt.   Mehr   über   den   Filamentierungsprozess   in   dichten kosmischen     Z-Pinchen     ist     in     diesem_Artikel      der     russischen Physiker     A.     B.     Kukushkin     und     V.     A.     Rantsev-Kartinov     vom Kurtschatov-Institut Moskau zu lesen.

6.11 VERDICHTUNG VON MATERIE

Ein   weiterer   Effekt,   der   mit   der   Kraft   I   x    B    verbunden   ist,   kann   durch   Analyse   ebenso   bestimmt   werden. Angenommen   der   Strom   I    wird   durch   ein   elektrisches   Feld   E    verursacht.   Jetzt   wollen   wir   die   sich   aus   der   Interaktion von   E    und   B    ergebende   Kraft   berücksichtigen.   Erinnert   sei   daran,   dass   I    dazu   tendiert   sich   mit   dem   gesamten   B , wegen   der   auf   den   Strom   selbst   wirkenden   Kräfte   auszurichten.   Dann   wird   das   E,    das   den   Strom   erzeugt,   sich   nicht völlig   an   dem   gesamten   B    ausrichten,   welches   die   Vektorsumme   des   externen   Magnetfeldes,   durch   welches   der   Strom fließt und des azimutalen Magnetfeldes ist, welches durch den Strom selbst erzeugt wird. So   wie   es   eine   Kraft   I   x   B    gibt,   gibt   es   auch   eine   Kraft   E    x   B ,   immer   dann,   wenn   E    nicht   parallel   zu   B    verläuft. Diese   Kraft   E    x   B    wirkt   auf   geladene   Teilchen   im   Stromzylinder   und   bewirkt,   dass   sich   Ionen   und   Elektronen   in Richtung   des   Zentrums   des   Filaments   bewegen.   Plasmen   enthalten   oft   einen   hohen   Anteil   an   geladenen   staubigen Körnern,   welche   auch   in   das   Filament   gezogen   werden.   Der   Reibungswiderstand   zwischen   den   geladenen   Teilchen und neutralen Atomen tendiert dazu, die neutralen Atome ebenfalls in Richtung des Filaments zu ziehen. Deswegen    tendieren    Stromfilamente    im    Weltraum    dazu,    Materie    als    Ergebnis    der    Fehlausrichtung    des elektrischen Feldes, das den Strom erzeugt und des Gesamtmagnetfeldes in sich anzusammeln. Erinnert   sei   daran,   dass   Pinche   vorkommen   können,   wenn   irgend   eine   Fehlausrichtung   von   I   und   B    vorkommt. Dann   wird   jede   Materie,   die   in   das   Filament   gezogen   wird,   auch   komprimiert,   wenn   eine   Fehlausrichtung   von   I    und   B   vorkommt.   Wenn   die   Pinchkraft   groß   genug   ist,   dann   kann   sie   die   Filamente   in   diskrete   kugelige   oder   toroidale Plasmoide    entlang    der    Stromachse    fragmentieren.    Jede    Materie    in    der    Pinchzone    wird    dann    in    dieselbe    Form komprimiert. Da   die   elektromagnetischen   Kräfte   viel   stärker   sind   als   die   Gravitation,   offeriert   dieser   Mechanismus   ein   Mittel, um   diffuse   Materie   in   einer   viel   wirksameren   Weise   anzusammeln   und   zu   verdichten   als   durch   Kompression   diffuser Wolken feiner Staubteilchen mittels Schwerkraft. Natürlich   können   sich,   wenn   die   Materie   erst   genügend   komprimiert   und   durch   Wiedervereinigung   ihrer   Ionen und   Elektronen   neutralisiert   wurde,   dann   die   elektromagnetischen   Kräfte   verringern   bis   zu   dem   Punkt,   wo   Gravitation bedeutsam wird und die Kompression fortsetzt, die durch die elektromagnetischen Kräfte begonnen wurde.

6.12 MARKLUND-KONVEKTION

Im   Fall   eines   Stromzylinders   wirkt   die   Kraft   E    x   B    radial   einwärts   und   führt   zu   einer   Selbsteinschnürung   der Stromfilamente,    wie    wir    gesehen    haben.    Daraus    ergibt    sich    ein   Anstieg    der   Teilchendichte    nahe    der   Achse    des Stromes. Dann können zwei Dinge geschehen o Im    ersten    Fall    kann    eine    Abkühlung    durch    Strahlung    in    den    Regionen    mit    angestiegener    Dichte    zu    einer Temperaturabnahme   näher   des   Zentrums   führen,   im   Gegensatz   zu   dem   Anstieg,   den   man   intuitiv   von   steigender Dichte erwartet. o im zweiten Fall kommt es zur Wiedervereinigung von Ionen und Elektronen. Jedes    chemische    Element    hat    ein    bestimmtes    Energieniveau,    das    alsIonisationsenergie    bekannt    ist,    bei welchem   es   entweder   ionisiert   oder   rekombiniert   wird.   Das   erfolgt   in   Analogie   zum   Siedepunkt   von   Flüssigkeiten   wie Wasser:   bei   einer   bestimmten   Temperatur   ändert   sich   die   Phase   oder   der   Aggregatzustand   von   Materie   von   einem Zustand in einen anderen. Wenn   die   kinetische   Energie   der   Bewegung   der   Ionisationsenergie   ent-spricht,   dann   kann   eine   charakteristische Geschwindigkeit,       bekannt       als       Critical Ionization   Velocity   (CIV),   für   jedes   Element abgeleitet   werden.   Weil   Temperatur   ein   Maß der      der      Wärmeenergie      ist,      kann      CIV temperaturbezogen   sein.   Die   CIV-Werte   der Elemente,   die   für   gewöhnlich   im   Weltraum gefunden   werden,   sind   nicht   zufällig   verteilt, sondern   in   vier   ausgeprägten   Bändern   um bestimmte                   Geschwindig-keitswerte gruppiert.    Innerhalb    jedes    Bandes    haben alle    Elemente    des    Bandes    sehr    ähnliche CIVs zueinander. In           der           Umgebung           eines feldausgerichteten   Stromes,   verursacht   die Kraft   E    x   B    eine   radiale   Drift   der   Ionen   und Elektronen      in      Richtung      der      kühleren zentralen      Achse.      Wegen      ihrer      unter- schiedlichen   CIVs   werden   sich   verschiedene Ionen          bei          verschiedenen          Radien rekombinieren,    wenn    sie    sich    in    Richtung des     Zentrums     bewegen     und     in     immer kühlere Regionen eintreten. Dieser     Prozess     ist     als     Marklund- Konvektion     bekannt,     benannt     nach     dem schwedischen     Physiker     Göran     Marklund, der ihn entdeckte. Das      Endergebnis      ist,      dass      die Marklund-Konvektion       jedes       anwesende Element    in    der    Umgebung    entsprechend seines   Ionisationspotentials   in   verschiedenen   Gruppen   sortiert.   Die   Gruppen   von   Elementen   sind   in   zylindrischen Schalen auf verschiedenen Radien innerhalb des feldausgerichteten Stromes angeordnet. Da   Wasserstoff   eine   hohe   CIV   besitzt,   verglichen   mit   anderen   Elementen,   rekombiniert   es   zuerst,   in   einer zylindrischen Schale mit einem größeren Radius als die Schalen der anderen Elemente. Dieser    Typ    der    elektrischen    Sortierung    könnte    für    einige    der    nicht-zufälligen    Verteilungen    von    Elementen verantwortlich    sein,    die    wir    im    Kosmos    beobachten.    Insbesondere    könnte    es    das    Überwiegen    von    neutralem Wasserstoff in fadenähnlichen Strukturen in ganzen Galaxien erklären, was durch Radioteleskope entdeckt wurde. Übersetzung H. Täger