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Wir haben die größte Trommel der Welt entdeckt – und sie befindet sich im Weltraum

by admin

Universitäten in den USA streiten sich seit langem darum, wem die größte Trommel der Welt gehört. Zu den unbegründeten Ansprüchen auf den Titel gehören die „Purdue Big Bass Drum“ und die „Big Bertha“, die interessanterweise nach einer deutschen Kanone aus dem Ersten Weltkrieg benannt wurde und während des Manhattan-Projekts radioaktiv wurde.

Zum Leidwesen der Amerikaner hält jedoch laut Guinness-Buch der Rekorde eine traditionelle koreanische „CheonGo“-Trommel den wahren Titel. Sie hat einen Durchmesser von über 5,5 Metern, ist etwa sechs Meter hoch und wiegt über sieben Tonnen. Aber meine neuesten wissenschaftlichen Ergebnisse, die soeben in Nature Communications veröffentlicht wurden, haben alle Konkurrenten in den Schatten gestellt. Denn die größte Trommel der Welt ist tatsächlich mehrere zehnmal größer als unser Planet – und sie existiert im Weltraum.

Das mag man für Unsinn halten. Aber das Magnetfeld (Magnetosphäre), das die Erde umgibt und uns schützt, indem es den Sonnenwind um den Planeten herum ablenkt, ist ein gigantisches und kompliziertes Musikinstrument. Seit etwa 50 Jahren wissen wir, dass schwache magnetische Schallwellen in dieser Umgebung hin- und herschwingen und wohldefinierte Töne erzeugen können, genau wie es bei Blas- und Streichinstrumenten der Fall ist. Aber diese Töne entstehen bei Frequenzen, die zehntausendmal niedriger sind als die, die wir mit unseren Ohren hören können. Und dieses trommelartige Instrument in unserer Magnetosphäre ist uns lange entgangen – bis jetzt.

Massive magnetische Membran

Das Hauptmerkmal einer Trommel ist ihre Oberfläche – technisch als Membran bezeichnet (Trommeln werden auch als Membranophone bezeichnet). Trifft man auf diese Oberfläche, können sich Wellen über sie ausbreiten und werden an den festen Rändern zurückgeworfen. Die ursprünglichen und die reflektierten Wellen können interferieren, indem sie sich gegenseitig verstärken oder auslöschen. Dies führt zu „stehenden Wellenmustern“, bei denen bestimmte Punkte scheinbar stillstehen, während andere hin und her schwingen. Die spezifischen Muster und die damit verbundenen Frequenzen werden ausschließlich durch die Form der Trommeloberfläche bestimmt. Die Frage „Kann man die Form einer Trommel hören?“ beschäftigt Mathematiker seit den 1960er Jahren bis heute.

Die äußere Begrenzung der Magnetosphäre der Erde, die so genannte Magnetopause, verhält sich ähnlich wie eine elastische Membran. Sie wächst oder schrumpft in Abhängigkeit von der wechselnden Stärke des Sonnenwindes, und diese Veränderungen führen häufig dazu, dass sich Wellen an der Oberfläche über die Grenze ausbreiten. Die Wissenschaftler haben sich zwar oft darauf konzentriert, wie sich diese Wellen an den Seiten der Magnetosphäre ausbreiten, aber sie sollten sich auch in Richtung der magnetischen Pole ausbreiten.

Physiker nehmen oft komplizierte Probleme und vereinfachen sie erheblich, um Erkenntnisse zu gewinnen. Auf diese Weise konnten Theoretiker vor 45 Jahren erstmals nachweisen, dass diese Oberflächenwellen tatsächlich reflektiert werden und die Magnetosphäre wie eine Trommel vibrieren lassen. Aber es war nicht klar, ob das Entfernen einiger Vereinfachungen in der Theorie die Trommel nicht unmöglich machen könnte.

Es erwies sich auch als sehr schwierig, anhand von Satellitendaten überzeugende Belege für diese Theorie zu finden. In der Weltraumphysik haben wir es, anders als etwa in der Astronomie, in der Regel mit etwas völlig Unsichtbarem zu tun. Wir können nicht einfach ein Bild von dem machen, was überall vor sich geht, sondern müssen Satelliten losschicken und es messen. Das bedeutet aber, dass wir nur wissen, was an den Orten passiert, an denen es Satelliten gibt. Das Problem besteht oft darin, ob die Satelliten zur richtigen Zeit am richtigen Ort sind, um das zu finden, wonach man sucht.

In den letzten Jahren haben meine Kollegen und ich die Theorie dieser magnetischen Trommel weiterentwickelt, um uns testbare Signaturen zu liefern, nach denen wir in unseren Daten suchen können. Wir konnten einige strenge Kriterien aufstellen, von denen wir dachten, dass sie einen Beweis für diese Oszillationen liefern könnten. Im Wesentlichen bedeutete dies, dass wir mindestens vier Satelliten in der Nähe der Magnetopause brauchten.

Glücklicherweise gab uns die THEMIS-Mission der NASA nicht vier, sondern fünf Satelliten zum Spielen. Alles, was wir tun mussten, war, das richtige auslösende Ereignis zu finden, das einem Schlagzeugstock entspricht, der auf die Trommel schlägt, und zu messen, wie sich die Oberfläche daraufhin bewegt und welche Geräusche dabei entstehen. Bei dem fraglichen Ereignis handelte es sich um einen Strahl von Hochgeschwindigkeitsteilchen, der in die Magnetopause stürzte. Als wir das herausgefunden hatten, fügte sich alles fast perfekt zusammen. Wir haben sogar nachgestellt, wie sich die Trommel tatsächlich anhört (siehe Video oben).

Diese Forschung zeigt, wie kompliziert Wissenschaft in der Realität sein kann. Für etwas, das sich relativ einfach anhört, haben wir 45 Jahre gebraucht, um es zu demonstrieren. Und diese Reise ist noch lange nicht zu Ende, es gibt noch viel zu tun, um herauszufinden, wie oft diese trommelartigen Vibrationen auftreten (sowohl hier auf der Erde als auch möglicherweise auf anderen Planeten) und welche Auswirkungen sie auf unsere Weltraumumgebung haben.

Dies wird uns letztendlich helfen, herauszufinden, welche Art von Rhythmus die Magnetosphäre im Laufe der Zeit erzeugt. Als ehemaliger DJ kann ich es kaum erwarten – ich liebe einen guten Beat.