Wärmeleitung im Interstellaren Medium

1. Juni 2019

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching und der Universitätssternwarte München untersuchten gemeinsam mit anderen Forschern, welchen Einfluss die Wärmeleitung auf die Entwicklung von Supernova-Druckwellen und das Interstellare Medium (ISM) hat, das durch diese Supernovae aufgewirbelt wird. Sie stellen fest, dass die Wärmeleitung deutlich dazu beiträgt, die beobachtete „Füllungsrate“ des Volumens von kaltem, warmem und heißem Gas im ISM zu erklären. Die Wärmeleitung spielt auch wichtige Rolle dabei, die Struktur des heißen ISM korrekt zu beschreiben sowie die chemische Zusammensetzung der kalten Phase des turbulenten ISM.

Abbildung 1: Säulendichte von neutralem Wasserstoff mit (oben) und ohne Wärmeleitung (unten) für einen Ausschnitt des ISM unter dem Einfluss von Supernovae. In beiden Fällen dominiert die heiße Phase das ISM-Volumen, wobei diese Phase in der Simulation mit Wärmeleitung einen höheren Anteil einnimmt.

Die Wärmeleitung ist ein grundlegender physikalischer Prozess, der den Wärmetransport entlang eines Temperaturgradienten beschreibt. Die entsprechende Wärmeleitfähigkeit beschreibt für jedes Material, wie effizient dieses die Wärmeenergie transportieren kann. Eisen hat zum Beispiel eine sehr hohe Leitfähigkeit und ist hervorragend für den Wärmetransport geeignet, da sich die Elektronen in Metallen bei nur minimalen Verlusten durch Wechselwirkungen mit Atomen frei bewegen können.

Die Situation im ISM ist jedoch völlig anders als auf der Erde. Das ISM besteht aus sehr kalten und dichten Regionen die zwar eine große Masse haben, aber nur ein geringes Volumen einnehmen. Ein Großteil des Volumens des ISM befindet sich der warmen bzw. heißen Phase mit niedrigeren Dichten. Die Wärmeleitfähigkeit zeigt eine starke Temperaturabhängigkeit und ändert sich daher im ISM über mehrere Größenordnungen hinweg. Selbst in Abwesenheit von anderen Prozessen kann allein die Wärmeleitung die Struktur des ISM verändern, indem sich beispielsweise kalte Wolken auflösen, die in einem heißen Medium eingebettet sind.  

Ein Team aus Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Astrophysik, der Universitätssternwarte München, der Universität Köln und dem Center for Computational Astrophysics in New York hat nun untersucht, wie die Wirkung der Wärmeleitung die Eigenschaften des ISM verändern kann. Supernova-Explosionen am Ende des Lebens von massereichen Sternen sind einer der wichtigsten Feedback-Prozesse im ISM; sie treiben Turbulenzen an und tragen zur heißen Phase des ISM bei.

Das Team führte Tests mit detaillierter Auflösung von einzelnen Supernovae durch, die bei unterschiedlichen Umgebungsdichten explodierten, und folgte gleichzeitig der chemischen Entwicklung und der Nicht-Gleichgewichtskühlung bei niedrigen Temperaturen. Aufbauend auf diese Ergebnisse wurde der Einfluss der Wärmeleitung auf die Struktur des ISM simuliert, in hoch-aufgelösten, periodischen ISM-Würfeln mit Bedingungen ähnlich der Sonnenumgebung und angepasst an die beobachtete Supernova-Rate in der Nähe der Sonne. In allen Fällen entwickelt sich schnell ein ISM in mehreren Phasen. Allerdings ändert sich das Gesamtvolumen deutlich, das durch die heiße Phase gefüllt wird, von 30 bis 40 Prozent ohne Wärmeleitung bis auf etwa 70 bis 80 Prozent in Anwesenheit der Wärmeleitung, was auch zu einer anders strukturierten Morphologie führt (Abb. 1).

Abbildung 2: Phasendiagramm mit Temperatur und Dichte für den Simulationswürfel in Abb. 1. Die Farbskala zeigt die Teilchenzahl an. Die Berechnungen mit (oben) und ohne Wärmeleitung (unten) zeigen, dass das Gas unterschiedlich verteilt wird. Mit Wärmeleitung befindet sich mehr Gas sowohl bei hohen Temperaturen als auch niedrigen Temperaturen und geringer Dichte.

Warum ist der Einfluss so stark? Die Wärmeleitung ist ein physikalischer Prozess, der thermische Energie im ISM von heißem zu kaltem Gas umverteilt. Aufgrund der Energieerhaltung führt dies zu einem Massenfluss von kälteren zu wärmeren Regionen, der die Masse der heißen Phase und auch ihr Volumen erhöht.

Die Wärmeleitung beeinflusst nicht nur die heiße Phase, sie ändert auch die physikalischen Eigenschaften der kalten Phase im ISM. Die Wärmeleitfähigkeit ist bei niedrigen Temperaturen geringer und die Kühlzeiten sind in diesem Regime viel kürzer (wenige hundert bis tausend Jahre). Es findet immer noch ein Energietransport von der warmen in die kalte Phase statt, aufgrund der kurzen Kühlzeiten wird diese Energie jedoch direkt abgeführt und dadurch der Massenstrom von der kalten zur warmen Phase unterdrückt. Die Forscher finden daher in den Simulationen mit Wärmeleitung weniger Masse in der warmen Phase des ISM und mehr in der kalten Phase (Abb. 2). Die Wärmeleitung führt damit zu einem ausgedehnten Signal bei hohen Dichten, die bis zu 10-mal höher sein können als im Vergleich zu der Simulation ohne Wärmeleitung. Da sich molekularer Wasserstoff bei geringen Temperaturen und hohen Dichten bildet, erhöht sich in Anwesenheit der Wärmeleitung der Anteil des molekularen Wasserstoffs um den Faktor vier.

Diese Ergebnisse zeigen eindrücklich, dass die Wärmeleitung für ein korrektes Modell des Multi-Phasen-ISM berücksichtig werden muss.

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