Keplersche Gesetze im Wasserstrudel

Das Diagramm zeigt die im Wasser-Tornado-Experiment gemessenen Winkelgeschwindigkeiten von Kunststoffkügelchen, die die Bewegung des Wassers sichtbar machten. Die blauen Datenpunkte bezeichnen die Werte abhängig von den Bahnradien der Kügelchen. Die gestrichelte orange Linie gibt den Zusammenhang zwischen den Winkelgeschwindigkeiten und den dazugehörigen Bahnradien für Kreisbewegungen gemäß dem dritten Keplerschen Gesetze an. Das kleinere Diagramm gibt den Sachverhalt in logarithmischer Darstellung wieder. © S. Knauer et al. / MPIA (CC BY-SA 4.0)

Die Forschenden verfolgten die Bewegungen kleiner Polypropylen-Kügelchen, die der Dichte von Wasser ähneln und sich so gut auf der Oberfläche des Wasser-Tornados halten. Mit Hochgeschwindigkeitskamera und computergestützter Bahnverfolgung wurden die Umlaufbewegungen analysiert. Auch wenn das erste Keplersche Gesetz (elliptische Bahnen) nicht ganz erfüllt wurde  (spiralförmige Bahnen dominieren in Trichtern) zeigten sich beim zweiten und dritten Keplerschen Gesetz deutliche Parallelen.

„Wir erhoffen uns durch den Einsatz dieses neuen Analogexperiments Erkenntnisse insbesondere darüber, wie Prozesse in planetenbildenden Scheiben über große Abstände hinweg ablaufen“, sagt Mario Flock vom Max-Planck-Institut für Astronomie.

Hydrodynamische Vergleichbarkeit bestätigt

Die Auswertung ergab zudem, dass die hydrodynamischen Kennzahlen im Experiment denen in echten protoplanetaren Scheiben sehr nahekommen. Das bedeutet, dass sich feine Staubpartikel im All vergleichbar zu den Kügelchen im Wasser verhalten könnten und liefert somit neue Erkenntnisse über die frühe Planetenbildung unter kontrollierten Laborbedingungen.

Nächster Schritt: Ausbau des Prototyps

Der aktuelle Versuchsaufbau ist ein Prototyp. „Die aktuellen Ergebnisse dieses Analogexperiments haben mich beeindruckt“, erklärt Mario Flock. „Ich bin zuversichtlich, dass wir durch einige Anpassungen in einem nächsten Schritt das Wasser-Tornado-Modell verbessern und einem wissenschaftlichen Einsatz näherkommen können.“ Ziel ist unter anderem, Turbulenzen im Wasser zu reduzieren, um präzisere Beobachtungen zu ermöglichen.

Beteiligte und Förderung

An dem Projekt beteiligt sind neben Mario Flock auch Stefan Knauer, Stefan Schütt, Floris Scharmer, Sebastian Haag, Nils Fahrenkamp, Andre Melzer, Daniel Siegel und Peter Manz (alle Universität Greifswald). Das Experiment ist Teil des SWADEX-Projekts am Institut für Physik der Universität Greifswald. Mario Flock selbst leitet am MPIA eine Arbeitsgruppe zur Planeten- und Sternentstehung und wurde kürzlich mit einem Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrats in Höhe von 2,13 Millionen Euro für das Projekt RAPTOR ausgezeichnet.

Mit dem Wasser-Tornado im Labor wird ein neuer, praxisnaher Zugang geschaffen, um die komplexen Vorgänge der Planetenbildung besser zu verstehen – ein bemerkenswert einfaches, aber wissenschaftlich vielversprechendes Modell.

Originalpublikation:
Knauer, S., Schütt, S., Flock, M., Scharmer, F., Haag, S., Fahrenkamp, N., Melzer, A., Siegel, D. M., & Manz, P. (2025). A tornado-based laboratory model for Keplerian flows. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, 542(1), L67–L72. DOI: 10.1093/mnrasl/slaf070

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft