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

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

• ASkaterder seine Arme näher an seinen Körper bringt, beschleunigt seine Rotation (Verringerung des Trägheitsmoments ����, daher Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit ����, weil ����=��������).
• DERPlanetenbeschleunigen, wenn sie sich der Sonne nähern (2. Keplersches Gesetz: Drehimpulserhaltung).
• AGyroskopbehält dank der Drehimpulserhaltung seine Rotationsachse bei. Wenn wir versuchen, es zu neigen, reagiert es mit einer Präzessionsbewegung, was die Stabilität des Drehimpulses ohne äußeres Nettodrehmoment veranschaulicht.
• In einemAtomIsoliert und ohne Störung bleibt der Bahndrehimpuls des Elektrons erhalten. Bei Wechselwirkungen (z. B. Emission oder Absorption von Photonen) kann sich der Bahndrehimpuls ändern, der Gesamtdrehimpuls des Systems (Elektron + Feld) bleibt jedoch 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

Quelle :NASA Planetary Fact Sheet, Ward & Canup 2002

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.