Warum dreht sich die Sonne so langsam? Das Geheimnis des fehlenden Drehimpulses

Verteilung des kinetischen Moments im Sonnensystem — *Verteilung des Drehimpulses zwischen der Sonne, Riesenplaneten und anderen Körpern. Bildquelle:astronoo.com (neues Fenster)*

Was ist ein kinetisches Moment?

DERKinetisches Momentist eine Vektorgröße, die das Ausmaß der Drehung eines Körpers relativ zu einem Punkt misst: \( \vec{L} = \vec{r} \times \vec{p} \)

\( \vec{L}\): Drehimpuls (oder Drehimpuls), \( \vec{r}\): Ortsvektor, der vom Bezugspunkt (Ursprung) zum bewegten Körper geht, \( \vec{p}\): Bewegungsgröße (oder Impuls) des Körpers.

Satz des kinetischen Moments

Der Drehimpulserhaltungssatz ist ein Grundprinzip der klassischen Mechanik und der Quantenmechanik. Es besagt, dass in einem isolierten System (in dem keine resultierende äußere Kraft einen Impuls ausübt) der Gesamtdrehimpuls erhalten bleibt.

Physikalische Beispiele

Ein Eiskunstläufer, der seine Arme näher an den Körper zieht, beschleunigt seine Rotation (Verringerung des Trägheitsmoments \(I\), daher Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit \(\omega\), da \(L = I\,\omega = \text{konstant}\)).
Die Planeten beschleunigen, wenn sie sich der Sonne nähern (2. Keplersches Gesetz: Erhaltung des Drehimpulses).
Ein Kreisel hält seine Rotationsachse aufgrund der Erhaltung des Drehimpulses stabil. Versucht man, ihn zu kippen, reagiert er mit einer Präzessionsbewegung, was die Stabilität des Drehimpulses bei fehlendem äußerem Drehmoment veranschaulicht.
In einem isolierten und ungestörten Atom bleibt der Bahndrehimpuls des Elektrons erhalten. Bei Wechselwirkungen (z. B. Emission oder Absorption von Photonen) kann sich der Bahndrehimpuls ändern, aber der Gesamtdrehimpuls des Systems (Elektron + Feld) bleibt erhalten.

Ursprung des Paradoxons des kinetischen Moments des Sonnensystems

In einem Szenario, in dem eine rotierende protosolare Wolke kollabiert, wird erwartet, dass der Drehimpuls erhalten bleibt. Simulationen zeigen jedoch, dass in Abwesenheit von DrehimpulsübertragungsmechanismenDie Sonne sollte in wenigen Stunden statt in 27 Tagen viel schneller rotieren.

DERDrehimpulsDie Gesamtmasse des Sonnensystems konzentriert sich größtenteils auf die Planeten, insbesondere auf die Gasriesen Jupiter und Saturn. Diese Tatsache widerspricht der Intuition: Die Sonne enthält mehr als 99,8 % der Masse des Sonnensystems, aber nur etwa 2 % ihres gesamten Drehimpulses. Andererseits machen Jupiter und Saturn allein mehr als 90 % dieses Drehimpulses aus.

Physikalische Definition des Bahndrehimpulses

Der Bahndrehimpuls \( L \) eines Körpers mit der Masse \( m \), der sich auf einer Kreisbahn mit dem Radius \( r \) und der Geschwindigkeit \( v \) bewegt, ist gegeben durch: \(L = m \cdot r \cdot v\)

Für eine Umlaufbahn vom Kepler-Typ können wir \( L \) als Funktion der Masse \( M \) des Zentralkörpers (hier der Sonne) ausdrücken, durch: \(L = m \cdot \sqrt{G M r}\) wobei \( G \) die Gravitationskonstante ist.

Das Drehimpulsparadoxon des Sonnensystems ist ein astrophysikalisches Rätsel, das mit der unerwarteten Verteilung des Drehimpulses zwischen der Sonne und den Planeten zusammenhängt.

Quantifizierung des Paradoxons

Verteilung des Drehimpulses im Sonnensystem
Körper	Drehimpuls (kg·m²/s)	% der Gesamtmenge	Kommentare
Jupiter	1,9 × 10⁴³	60 %	Dominanter Planet im Orbitalmoment
Saturn	7,8 × 10⁴²	25 %	Zweiter großer Mitwirkender
Andere Planeten	3,8 × 10⁴²	12 %	Beinhaltet Uranus, Neptun usw.
Sonne (Rotation)	1,9 × 10⁴¹	~2%	Geringe Differenzdrehung
Asteroiden und Kometen	~10³⁹	<0,01 %	Vernachlässigbarer Beitrag

Quelle:NASA Planetary Fact Sheet (neues Fenster), Ward & Canup 2002 (neues Fenster)

Erklärungen zur Lösung dieses Paradoxons

Magnetische Bremse: Die junge Sonne hätte ein starkes Magnetfeld gehabt, das mit der protoplanetaren Scheibe interagierte. Diese Kopplung hätte den Drehimpuls von der Sonne auf die Scheibe übertragen und deren Rotation verlangsamt.
Übertragung durch den ursprünglichen Sonnenwind: Sonnenwinde in Verbindung mit dem entstehenden Magnetfeld der Sonne hätten Drehimpuls weggetragen.
Planetenwanderung: Riesenplaneten (wie Jupiter) wären nach außen gewandert und hätten ihren Bahndrehimpuls zu Lasten des Drehimpulses der Sonne erhöht.
Gezeiteneffekte mit der Gasscheibe: Gezeitenkräfte zwischen der Sonne und der protoplanetaren Scheibe hätten den Drehimpuls neu verteilt.

Der Hauptgrund für das Paradoxon: Die magnetische Bremsung der jungen Sonne

Der Hauptgrund für das Drehimpulsparadoxon des Sonnensystems ist die magnetische Bremsung, die mit der Kopplung zwischen dem Magnetfeld der jungen Sonne und der protoplanetaren Scheibe verbunden ist.

Erster Kollaps des Sonnennebels: Eine Gaswolke kollabiert unter der Schwerkraft und bildet eine schnell rotierende Proto-Sonne (Erhaltung des anfänglichen Drehimpulses). Berechnungen zufolge dürfte sich die Sonne deutlich schneller drehen als heute.
Schlüsselrolle des Magnetfelds: Die junge Sonne verfügte über ein starkes Magnetfeld, das ihre Oberfläche mit der umgebenden Gasscheibe verband. Dieses Feld fungierte als „Bremse“: Die magnetischen Feldlinien übertrugen den Drehimpuls der Sonne auf die äußere Scheibe (wo sich die Planeten bildeten).

Die Sonne hat den größten Teil ihres Drehimpulses zugunsten der Scheibe und dann der Planeten verloren. Da die Planeten sich in großen Entfernungen bildeten, erbten sie den größten Teil des gesamten Drehimpulses.

Warum wird diese Erklärung bevorzugt?

Beobachtungen junger Sterne (wie T-Tauri-Sterne) zeigen, dass sie im Laufe der Zeit langsamer werden, was mit diesem Mechanismus übereinstimmt.
Theoretische Modelle und numerische Simulationen reproduzieren die langsame Rotation der Sonne besser, indem sie diese magnetische Kopplung einbeziehen.