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Frage zur Entstehung eines Planetensystems (Folge 5) 03 Jan 2022 20:35 #1347

  • Zeitblick
  • Zeitblicks Avatar Autor
Zunächst einmal vielen Dank für diese tolle Vorlesung, die ich erst vor kurzem gesehen habe. Folgende Frage habe ich vor einer Woche als Kommentar zum Filmbeitrag "Planetare Geologie (5) • Ursprung der Materie" von Christian Köberl gestellt, aber das hat vermutlich technisch nicht geklappt hat, weshalb ich diese Frage nun hier im Frage/Antwort-Teil stelle.

Bei etwa 1:00:30 im o.g. Filmbeitrag wird an dem anschaulichen Beispiel einer Balletttänzerin, die eine Pirouette macht, gezeigt, wie sich die Tangentialgeschwindigkeit der Staubteilchen erhöht, wenn ein System - hier die Staubwolke eines entstehenden Planetensystems - kollabiert, weil der Drehimpuls erhalten bleibt. Das ist nicht schwer zu verstehen, und eine ähnliche Erklärung findet sich auch in einem ganz anderen Filmbeitrag wo es ebenfalls um die Entstehung eines Planetensystems geht.

Dort wie auch hier bleibt aber der Punkt unerwähnt, woher der initiale Drehimpuls überhaupt herstammt - denn damit ein Drehimpuls erhalten bleibt, muß eine Rotation um ein Schwerkraftzentrum überhaupt vorhanden sein - die Staubwolke wird doch nicht aus dem Nichts heraus anfangen zu rotieren. Daher die Frage: gibt es auch Staubwolken, die ohne Rotation kollabieren - und woher stammt der initiale Drehimpuls?

Frage zur Entstehung eines Planetensystems (Folge 5) 03 Jan 2022 20:53 #1348

woher der initiale Drehimpuls überhaupt herstammt

Wenn sich zwei Teilchen relativ zueinander bewegen, ohne exakt aufeinander zuzufliegen, dann haben sie unabhängig von irgend einer gegenseitigen gravitativen Beeinflussung automatisch den spezifischen Drehimpuls
ℓ = L/m = b·v = D⃗×v⃗
L Drehimpuls
b Stoßparameter (Lot auf die Bahn)
D⃗ Distanzvektor
Letzte Änderung: von Rainer Raisch.

Frage zur Entstehung eines Planetensystems (Folge 5) 04 Jan 2022 11:11 #1350

  • Zeitblick
  • Zeitblicks Avatar Autor

Wenn sich zwei Teilchen relativ zueinander bewegen, ohne exakt aufeinander zuzufliegen, dann haben sie unabhängig von irgend einer gegenseitigen gravitativen Beeinflussung automatisch den spezifischen Drehimpuls ...


Hallo Rainer, für zwei Teilchen ist diese Erklärung zufriedenstellend - wenn man aber die hohe Anzahl der Teilchen einer Staubwolke betrachtet, und man einen äusseren Einfluß zunächst ausschließt, muß man annehmen, daß die Impuls-Vektoren der Teilchen für einen Betrachter insgesamt zufällig erscheinen - jedenfalls ist es extrem unwahrscheinlich, daß ohne einen Einfluß von aussen eine bestimmte Richtung *für alle Teilchen* dominant wird, so daß man davon sprechen kann, daß die Wolke insgesamt eine bestimmte Rotationsbewegung ausführt - wie dies bei einer Staubwolke der Fall ist, die sich zu einem Planetensystem verdichtet.

Der Einfluß muß also von aussen kommen, stimmen wir darin überein? Dann bleibt die Frage, was dieser Einfluß ist, der der Teilchenwolke eine bestimmte Richtung vorgibt, und wie dieser Einfluß zustandekommt.

Gruß
Andreas

Frage zur Entstehung eines Planetensystems (Folge 5) 04 Jan 2022 15:45 #1353

Soweit ich verstehe, geht es um die Frage, wieso Sonnensysteme eine gemeinsame bevorzugte Drehrichtung haben.

Zunächst sollte die Richtung des gemeinsamen Drehimpulses zufällig in die eine oder andere Richtung weisen. Ansonsten dürfte die Entsteheug eines gemeinsamen Drehimpulses statistisch offensichtlich sein, ein exakter Ausgleich in beide Richtungen ist ziemlich unwahrscheinlich, ebenso wie eine große Winkelgeschwindigkeit trotz starkem Drehimpuls. Denn der Drehimpuls kann bei großen Entfernungen trotz geringer Geschwindigkeit sehr groß sein. (ich setze hier r für den Stoßparameter ein)
ℓ = r²ω = v·r

Durch den Pirouetteneffekt wird der konstante Drehimpuls ℓ allerdings mit der Zeit immer stärker sichtbar, er führt sozusagen zu einer Beschleunigung v̇ = a > 0 und noch stärkeren Winkelbeschleunigung ω̇ = α ≫ 0.

Die Scheibenform wird dabei ebenfalls durch eine anfängliche leichte Schwankung immer weiter verstärkt, weil dies eine Folge der sich selbst verstärkenden Gravitation ist.
Letzte Änderung: von Rainer Raisch.

Frage zur Entstehung eines Planetensystems (Folge 5) 10 Jan 2022 14:40 #1372

  • Tschanges
  • Tschangess Avatar Autor
...wenn ICH die Frage richtig verstehe, zielt sie auf folgendes ab:
Die sozusagen im Raum "herumtreibenden" Staubwolken erfahren z.B. durch Zusammenprall mit anderen (ebenso gemächlich dahintreibenden) Staubwolken oder aber durch das Zusammentreffen mit sich ausbreitenden Schock-/Stoßfronten durch nicht allzuweit entfernt stattgefundene Sternexplosionen o.ä. immer zuerst eine partielle Verdichtung. DANN erst zeigt in diesen verdichteten Arealen der Wolke die Gravitation ihren "anziehenden" Charakter und beginnt den Rest der Wolke zu akkretieren. Dass es hierbei zu einer vollkommenen Symmetrie kommt ist ausgeschlossen... und daher resultiert auch der ursprüngliche, initiale Drehimpuls.
...glaub ich... :-)

Frage zur Entstehung eines Planetensystems (Folge 5) 10 Jan 2022 22:20 #1382

Ja, das sagte ich in etwa
"Ansonsten dürfte die Entstehug eines gemeinsamen Drehimpulses statistisch offensichtlich sein, ein exakter Ausgleich in beide Richtungen ist ziemlich unwahrscheinlich,"

Allerdings ist es so, dass sich der Drehimpuls innerhalb einer Wolke nicht verändern kann, egal was innerhalb passiert. Das bedeutet, dass jedem rechts drehenden Teilchen ein links drehendes gegenüberstehen würde. Der Drehimpuls innerhalb der Wolke muss daher von Anfang an vorhanden sein, wenn sich die Teilchen für die eine oder andere Wolke "entscheiden".

Nur durch Annihilation könnten Teilchen in Form von Licht aus der Wolke verschwinden und ihren Drehimpuls (Schwerpunktmoment) sozusagen wegtransportieren. Auch dies sollte statistisch allerdings recht ausgeglichen erfolgen, ebenso wie Wärmestrahlung, jeweils mit statistischen Abweichungen, die sich beim Verdichten dann verstärkt zeigen.
Letzte Änderung: von Rainer Raisch.

Frage zur Entstehung eines Planetensystems (Folge 5) 11 Jan 2022 17:13 #1391

  • Zeitblick
  • Zeitblicks Avatar Autor
Ich wollte mich mit einer Antwort / einem Kommentar noch zurückhalten, aber da die Diskussion nun weiter geht, und wir offenbar nun drei Personen in der Runde sind, lohnt es sich vielleicht, noch einmal anzuknüpfen.

Denn: ich halte die Frage um die es mir geht noch nicht für hinreichend erklärt bzw. verstanden.

Soweit ich verstehe, geht es um die Frage, wieso Sonnensysteme eine gemeinsame bevorzugte Drehrichtung haben.


Es geht mir nicht um ein Sonnensystem (mit Planeten usw) als solches, es geht um den Zustand seiner Entstehung aus der Staubwolke: der Staubwolke die gerade dabei ist, den Prozeß der Verdichtung zu beginnen.

Ich stelle mir den Grundzustand dieser Staubwolke als eine Ansammlung von Materiepartikeln vor, die insgesamt keine Ordnung aufweisen, jedes Partikel hat eine bestimmte Position und einen Bewegungsvektor innerhalb dieser Wolke,
die Summe all dieser Bewegungsvektoren und Drehimpulse um ein Gravitationszentrum der vielleicht 10 hoch 60 Teilchen müßte aber statistisch zu etwa 0 angenommen werden, die Wolke als System befindet sich also nicht in Bewegung, auch in keiner Rotation, auch wenn sich die Teilchen innerhalb in reger Bewegung befinden.

Die Frage ist: welcher Prozeß führt dazu, daß sich die Wolke als Ganzes aus dieser Ruheposition (Summe aller Impulsvektoren und Drehimpulse um ein gemeinsames Zentrum etwa 0) in eine Rotationsbewegung versetzt, die die gesamte Wolke dominieren wird.

Der in diesem Thema immer wieder hervorgebrachte Pirouetteneffekt gilt schließlich für alle Teilchen, also für jedes Teilchen für sich, es ist ja kein Festkörper, wenn also die Summe aller Drehimpulse zu Beginn mit etwa 0 angenommen ist (kleine Abweichung irrelevant und wir gehen von einer Gleichverteilung zu Beginn aus), dann werden zwar die Geschwindigkeiten aller Teilchen beim Piroutteneffekt immer größer, der Drehimpuls bleibt doch aber insgesamt erhalten und auch die Summe der Drehimpulse über alle Teilchen verändert sich dadurch nicht.

Dies erklärt also nicht, warum plötzlich alle Teilchen einer Wolke der Meinung sein sollen, um das Schwerkraftzentrum im selben Sinn rotieren zu müssen. Tut mir leid, die hervorgebrachten Formeln bieten hier keinen Hebel für eine Erklärung.

Rainer schreibt in einem anderen Post:

Der Drehimpuls innerhalb der Wolke muss daher von Anfang an vorhanden sein, wenn sich die Teilchen für die eine oder andere Wolke "entscheiden".


Aber das ist doch die Frage: wieso ist der Drehimpuls in der Wolke von Anfang an vorhanden.

Frage zur Entstehung eines Planetensystems (Folge 5) 11 Jan 2022 22:00 #1395

Wie bereits gesagt, führt der Pirouetteneffekt lediglich dazu, dass eine geringe Winkelgeschwindigkeit mit der Kontraktion sehr groß wird, also der von Anfang an vorhandene Drehimpuls deutlich in Erscheinung tritt.

Bei einer großen Wolke, also mit großem Radius r, bedeutet bereits eine minimal kleine Winkelgeschwindigkeit ω=v/r einen großen Drehimpuls.
ℓ = r²ω

Die Frage ist also, woher der Drehimpuls überhaupt kommt: Dies ergibt sich eben aus den statistischen Bewegungen aller Teilchen, die sich zwar statistisch fast aber eben nie ganz ausgleichen, wenn man nur einen lokalen Teil des Universums betrachtet, der diese Wolke darstellt.

Im Prinzip kann sich der Drehimpuls der Wolke jedenfalls nicht nachträglich ändern, außer durch Einwirkung von oder nach außen. Die Expansion führt jedenfalls eher zu einer Verringerung des Impulses und daher im Prinzip auch des Drehimpulses, wenngleich hier die gravitative Bindung bzw die Lokalität der Kreisbewegung dieser Abbremsung entgegenwirkt.
p'a' = p·a = v·γ·m·a
Letzte Änderung: von Rainer Raisch.

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