Wie das Universum zu seinem Magnetfeld kam

Wenn wir in den Weltraum blicken, sind alle astrophysikalischen Objekte, die wir sehen, in Magnetfelder eingebettet. Das gilt nicht nur in der Nähe von Sternen und Planeten, sondern auch im Weltraum zwischen Galaxien und Galaxienhaufen. Diese Felder sind schwach – normalerweise viel schwächer als die eines Kühlschrankmagneten –, aber sie sind dynamisch signifikant in dem Sinne, dass sie tiefgreifende Auswirkungen auf die Dynamik des Universums haben. Trotz jahrzehntelangem intensiven Interesse und Forschung bleibt der Ursprung dieser kosmischen Magnetfelder eines der tiefgreifendsten Geheimnisse der Kosmologie.

In früheren Forschungen haben Wissenschaftler verstanden, wie Turbulenzen, die turbulente Bewegung, die Flüssigkeiten aller Art gemeinsam haben, bereits vorhandene Magnetfelder durch den sogenannten Dynamoprozess verstärken können. Aber diese bemerkenswerte Entdeckung hat das Mysterium nur noch einen Schritt weiter vertieft. Wenn ein turbulenter Dynamo ein vorhandenes Feld nur verstärken könnte, woher kam dann das „Keim“-Magnetfeld überhaupt?

Wir würden keine vollständige und selbstkonsistente Antwort auf den Ursprung der astrophysikalischen Magnetfelder haben, bis wir verstanden hätten, wie die Saatfelder entstanden sind. Eine neue Arbeit der MIT-Doktorandin Muni Zhou, ihres Beraters Nuno Loureiro, Professor für Nuklearwissenschaft und -technik am MIT, und Kollegen an der Princeton University und der University of Colorado in Boulder liefert eine Antwort, die die grundlegenden Prozesse zeigt, die ein Feld erzeugen von einem vollständig unmagnetisierten Zustand bis zu dem Punkt, an dem es stark genug ist, dass der Dynamomechanismus das Feld übernimmt und auf die von uns beobachteten Größen verstärkt.

Magnetfelder sind überall

Natürlich vorkommende Magnetfelder sind überall im Universum zu sehen. Sie wurden zum ersten Mal vor Tausenden von Jahren auf der Erde durch ihre Wechselwirkung mit magnetisierten Mineralien wie Magnetit beobachtet und für die Navigation verwendet, lange bevor die Menschen ihre Natur oder ihren Ursprung verstanden hatten. Der Magnetismus auf der Sonne wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts durch seine Auswirkungen auf das von der Sonne emittierte Lichtspektrum entdeckt. Seitdem stellten leistungsstärkere Teleskope, die tief in den Weltraum blickten, fest, dass die Felder allgegenwärtig waren.

Und während Wissenschaftler längst gelernt hatten, wie man Permanentmagnete und Elektromagnete herstellt und verwendet, die alle möglichen praktischen Anwendungen hatten, blieb der natürliche Ursprung der Magnetfelder im Universum ein Rätsel. Neuere Arbeiten haben einen Teil der Antwort geliefert, aber viele Aspekte dieser Frage werden noch diskutiert.

Magnetfelder verstärken – der Dynamoeffekt

Wissenschaftler begannen, über dieses Problem nachzudenken, indem sie die Art und Weise betrachteten, wie elektrische und magnetische Felder im Labor erzeugt wurden. Wenn sich Leiter wie Kupferdraht in Magnetfeldern bewegen, entstehen elektrische Felder. Diese Felder oder Spannungen können dann elektrische Ströme treiben. So entsteht der Strom, den wir täglich verbrauchen. Durch diesen Induktionsprozess wandeln große Generatoren oder „Dynamos“ mechanische Energie in elektromagnetische Energie um, die unsere Häuser und Büros antreibt. Ein wesentliches Merkmal von Dynamos ist, dass sie Magnetfelder benötigen, um zu funktionieren.

Aber draußen im Universum gibt es keine offensichtlichen Drähte oder großen Stahlkonstruktionen, also wie entstehen die Felder? Fortschritte bei diesem Problem begannen vor etwa einem Jahrhundert, als Wissenschaftler über die Quelle des Erdmagnetfelds nachdachten. Zu diesem Zeitpunkt zeigten Studien zur Ausbreitung seismischer Wellen, dass ein Großteil der Erde unter den kühleren Oberflächenschichten des Mantels flüssig war und dass es einen Kern gab, der aus geschmolzenem Nickel und Eisen bestand. Die Forscher stellten die Theorie auf, dass die Konvektionsbewegung dieser heißen, elektrisch leitfähigen Flüssigkeit und die Rotation der Erde in gewisser Weise zusammenwirken, um das Erdfeld zu erzeugen.

Schließlich entstanden Modelle, die zeigten, wie die Konvektionsbewegung ein bestehendes Feld verstärken könnte. Dies ist ein Beispiel für „Selbstorganisation“ – ein Merkmal, das oft in komplexen dynamischen Systemen zu sehen ist – wo großräumige Strukturen spontan aus kleinräumiger Dynamik wachsen. Aber genau wie in einem Kraftwerk braucht man ein Magnetfeld, um ein Magnetfeld zu erzeugen.

Ein ähnlicher Prozess ist im ganzen Universum am Werk. In Sternen und Galaxien und im Raum zwischen ihnen ist die elektrisch leitende Flüssigkeit jedoch kein geschmolzenes Metall, sondern Plasma – ein Materiezustand, der bei extrem hohen Temperaturen existiert, in dem die Elektronen aus ihren Atomen gerissen werden. Auf der Erde sind Plasmen in Blitzen oder Neonlichtern zu sehen. In einem solchen Medium kann der Dynamoeffekt ein vorhandenes Magnetfeld verstärken, vorausgesetzt, er beginnt auf einem minimalen Niveau.

Entstehung der ersten Magnetfelder

Woher kommt dieses Saatfeld? Dort wurde die jüngste Arbeit von Zhou und ihren Kollegen veröffentlicht, die am 5. Mai veröffentlicht wurde PNAS, kommt ins Spiel. Zhou entwickelte die zugrunde liegende Theorie und führte numerische Simulationen auf leistungsstarken Supercomputern durch, die zeigen, wie das Saatfeld erzeugt werden kann und welche grundlegenden Prozesse am Werk sind. Ein wichtiger Aspekt des zwischen Sternen und Galaxien existierenden Plasmas ist, dass es außerordentlich diffus ist – typischerweise etwa ein Teilchen pro Kubikmeter. Das ist eine ganz andere Situation als im Inneren von Sternen, wo die Teilchendichte etwa 30 Größenordnungen höher ist. Die geringen Dichten bedeuten, dass die Teilchen in kosmologischen Plasmen niemals kollidieren, was wichtige Auswirkungen auf ihr Verhalten hat, die in das von diesen Forschern entwickelte Modell einbezogen werden mussten.

Berechnungen der MIT-Forscher verfolgten die Dynamik in diesen Plasmen, die sich aus wohlgeordneten Wellen entwickelte, aber mit zunehmender Amplitude turbulent wurde und die Wechselwirkungen stark nichtlinear wurden. Indem sie detaillierte Auswirkungen der Plasmadynamik in kleinen Maßstäben auf makroskopische astrophysikalische Prozesse einschlossen, zeigten sie, dass die ersten Magnetfelder spontan durch generische großräumige Bewegungen erzeugt werden können, die so einfach sind wie Scherströmungen. Wie bei den irdischen Vorbildern wurde mechanische Energie in magnetische Energie umgewandelt.

Ein wichtiges Ergebnis ihrer Berechnung war die Amplitude des erwarteten spontan erzeugten Magnetfelds. Dies zeigte, dass die Feldamplitude von Null auf ein Niveau ansteigen konnte, bei dem das Plasma „magnetisiert“ ist – das heißt, bei dem die Plasmadynamik stark durch das Vorhandensein des Felds beeinflusst wird. An diesem Punkt kann der traditionelle Dynamomechanismus übernehmen und die Felder auf die beobachteten Niveaus anheben. Somit stellt ihre Arbeit ein in sich konsistentes Modell für die Erzeugung von Magnetfeldern auf kosmologischer Ebene dar.

Professor Ellen Zweibel von der University of Wisconsin in Madison stellt fest, dass „trotz jahrzehntelanger bemerkenswerter Fortschritte in der Kosmologie der Ursprung der Magnetfelder im Universum unbekannt bleibt. Es ist wunderbar, modernste Plasmaphysiktheorie und numerische Simulation zu sehen auf dieses grundlegende Problem einwirken lassen.“

Zhou und Mitarbeiter werden ihr Modell weiter verfeinern und die Übergabe von der Erzeugung des Seed-Felds an die Amplifikationsphase des Dynamos untersuchen. Ein wichtiger Teil ihrer zukünftigen Forschung wird es sein, festzustellen, ob der Prozess auf einer Zeitskala funktionieren kann, die mit astronomischen Beobachtungen übereinstimmt. Um die Forscher zu zitieren: „Diese Arbeit stellt den ersten Schritt zum Aufbau eines neuen Paradigmas zum Verständnis der Magnetogenese im Universum dar.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website, die Neuigkeiten über MIT-Forschung, -Innovation und -Lehre enthält.