Die magnetische Macht

Diese Daten sprechen laut Pattle dafür, dass das ursprünglich sehr schwache Magnetfeld in der Wolke „eingefroren“ wurde und sich zu höheren Feldstärken verdichtete, als sich Staub und Gas unter dem Einfluss der Schwerkraft zusammenzogen. Obwohl dieses Magnetfeld nur ein Tausendstel der Stärke des Erdmagnetfelds besitzt, wirkt es auf die kosmische Materie ein – allerdings nur dann, wenn diese elektrische Ladungen enthält. Neutrale Atome werden nicht beeinflusst.

In dichten Wolken ist das Gas nur zum Teil ionisiert, wie Physiker sagen. Das geschieht durch energiereiche Sternstrahlung oder hohe Temperaturen. Im Innern der Säulen im Adler-Nebel bewirken die Magnetfelder, dass „Materie bevorzugt entlang der Feldlinien strömt, aber den Fluss senkrecht dazu stark unterdrückt“, folgert Pattle. So entsteht eine Art Druck senkrecht zu den Feldlinien und damit zur Längsachse, der einen raschen Kollaps der Materie durch die Schwerkraft verhindert. Magnetfelder stabilisieren demnach die großen Wolken, was die Sternbildungsrate in den Galaxien verlangsamt.

Magnetische Bremse

Ohne Magnetfelder würde die Sternentstehung zwei- bis dreimal so schnell ablaufen. Zu diesem Ergebnis kamen kürzlich Mark Krumholz und Christoph Federrath von der Australian National University in Canberra aufgrund von Computersimulationen. Ohne Magnetfelder hätten die meisten Galaxien ihren Gasvorrat längst in Sterne umgewandelt, wären also viel schneller gealtert.

Einerseits verlangsamen Magnetfelder die Entstehung neuer Sterne, andererseits fungieren sie als Geburtshelfer. Wenn sich Staub und Gas unter dem Einfluss der Schwerkraft verdichten, beginnt die Wolke langsam zu rotieren. Je kleiner sie wird, desto schneller dreht sie sich. Einen ähnlichen Effekt kann man bei der Pirouette einer Schlittschuhläuferin beobachten: Zieht sie ihre Arme an den Körper und wird damit kompakter, wirbelt sie schneller herum. Bei den Staubwolken nimmt dabei die nach außen wirkende Zentrifugalkraft zu, die einem weiteren Kollaps entgegenwirkt. Letztlich könnte sie diese Entwicklung bei einer kritischen Umdrehungsgeschwindigkeit auch zum Stillstand bringen, und es käme zu keinen Sterngeburten mehr.

Doch das Gas erhitzt sich hierbei und wird teilweise ionisiert: Die freien Protonen und Elektronen kleben an dem Ma-gnetfeld wie Teig an einem Mixer. Das bremst die Rotation der gesamten Wolke. Die Zentrifugalkraft verringert sich, und die Materie kann deshalb weiter kontrahieren. Diese Magnetbremse ist also essenziell für die Sternentstehung.

Während die Wirkung von Magnetfeldern in verschiedenen kosmischen Prozessen immer deutlicher wird, war es lange nicht klar, welche großräumige Struktur das Magnetfeld in der Milchstraße besitzt.

Das Unsichtbare lässt sich nur mit Tricks sichtbar machen. Ein beliebtes Mittel sind Pulsare – schnell rotierende Neutronensterne, die polarisierte Radiostrahlung aussenden. Das bedeutet, dass die Radiowellen bevorzugt in einer Ebene schwingen. Durchläuft diese Strahlung ein Magnetfeld, so dreht sich die Polarisationsebene.

Dieser verblüffende Effekt ist nach Michael Faraday benannt. Der englische Experimentalphysiker hatte ihn 1845 entdeckt, als er polarisiertes Licht durch das Feld eines starken Elektromagneten sandte. Er erkannte, dass man aus dem Grad dieser Drehung – der Faraday-Drehung – auf Stärke und Richtung des Ma-gnetfelds schließen kann. Aus der Entfernung des Pulsars ergibt sich zudem grob die Distanz des Felds dazwischen: Die Faraday-Drehung dient den Astronomen als kosmischer Kompass.

Doch das Ganze ist nicht so einfach: Mit dem Teleskop misst man zwar eine bestimmte Polarisationsebene der Radiowellen, aber man weiß nicht, in welcher Ebene der Pulsar die Wellen ursprünglich ausgesandt hat. Hier hilft den Astronomen, dass die Welle umso stärker gedreht wird, je größer die Wellenlänge der Radiostrahlung ist. Beobachtungen bei mehreren Wellenlängen liefern deshalb die Stärke und Richtung der Drehung im interstellaren Magnetfeld.

Und es gibt noch ein Problem: Die Radiowellen könnten Magnetfelder mit unterschiedlicher Richtung durchlaufen und dadurch mehrfach hin und her gedreht werden. Diesen Effekt müssen die Astronomen mit Modellen der Milchstraße abschätzen. Das ist schwierig, weil wir uns im Innern der Spiralgalaxie befinden und keinen umfassenden Überblick haben. Hier helfen vergleichende Beobachtungen von nahen Spiralgalaxien weiter. Bei denen sind wegen ihrer größeren Entfernung allerdings so kleine Details wie in der Milchstraße nicht erkennbar.

Die Spur der Spiralarme

Die Messungen ergaben, dass die Magnetfeldlinien im inneren Bereich der Milchstraße und anderer Spiralgalaxien den Spiralarmen folgen. Besonders deutlich zeigt sich dies in der Galaxie Messier 51 (M 51, NGC 5194/5195), die auch Strudel-Galaxie genannt wird. Das Magnetfeld ist an der Innenkante der Arme verdichtet und folgt deren Verlauf. Und es greift in die Rate der Sternentstehung ein, die sich vor allem in den Spiralarmen abspielt. Mit wachsender Distanz zum Zentrum der Milchstraßen nimmt die magnetische Feldstärke ab.

Lange haben Astronomen gerätselt, wie eine solche Struktur entstehen kann, die sich ganz ähnlich in fast jeder Spiralgalaxie findet. „Wir gehen heute von einem mehrstufigen Prozess aus“, erklärt Rainer Beck, der am Max-Planck-Institut für Radioastronomie seit Jahrzehnten kosmische Magnetfelder untersucht.

In einem Elektromagneten erzeugt ein stromdurchflossener Draht ein Magnetfeld. Im Weltall haben turbulent verwirbelte Plasmen denselben Effekt. Sie bilden sich zum Beispiel, wenn Sterne explodieren und heiße Gashüllen abstoßen. Zunächst entstehen dabei chaotische Magnetfelder, die dann von der Rotation der Galaxie erfasst und mitgezogen werden. Bei diesem Vorgang ordnen sich die Feldlinien nach und nach neu an.

„Dieser galaktische Dynamo erzeugt Ordnung aus dem Chaos“, fasst Beck den Vorgang zusammen, der sich auf Skalen von Zehntausenden von Lichtjahren abspielt. Von einem Dynamo spricht Beck, weil hier Bewegungsenergie in magnetische Energie umgewandelt wird – vergleichbar mit einem Fahrraddynamo. Und da die Magnetfeldlinien fast genau den Spiralarmen folgen, muss es einen Zusammenhang zwischen beiden Phänomenen geben: Offenbar sind die Dichtewellen, die die Spiralarme formen, in Resonanz mit dem Magnetdynamo.

Die Magnetfeldstruktur im Innern von Spiralgalaxien zeigt sich besonders deutlich, wenn man direkt auf die Scheibe schaut. Dabei erkennt man aber nicht, wie sich das Magnetfeld ober- und unterhalb der Mittelebene erstreckt. Doch einige Beobachtungen von Spiralgalaxien, die uns ihre Seite zuwenden, deuten an, dass die Magnetfeldlinien V-förmig nach außen weisen.

Galaktischer Wind

Bei der Milchstraße ist kürzlich zum ersten Mal eine ähnliche Beobachtung gelungen. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Federico Abbate vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie maß in dem Kugelsternhaufen 47 Tucanae Radiostrahlung von 13 Pulsaren. Dieser 15.000 Lichtjahre von der Erde entfernte Sternhaufen befindet sich rund 10.000 Lichtjahre außerhalb der Milchstraßenebene im sogenannten Halo. Die Astronomen konnten aus der Faraday-Drehung der Radiowellen das Magnetfeld dort draußen bestimmen – wenn auch nur punktuell.

Das Ergebnis überraschte die Forscher: Die Messungen zeigten ein starkes Magnetfeld, das zudem innerhalb des Sternhaufens ein Muster aufweist. Das lässt sich am besten mit einem Szenario erklären, dass Astrophysiker aus anderen Beobachtungen abgeleitet haben.

Demnach entweicht aus der Milchstraße ständig ein Teilchenwind mit 200 Kilometern pro Sekunde, der ein Magnetfeld mit sich schleppt. Ursache hierfür sind explodierende und junge massereiche Sterne. Trifft dieser galaktische Wind auf den ebenfalls von einem schwachen Magnetfeld durchzogenen Kugelsternhaufen, so entsteht eine Stoßfront – ähnlich wie vor dem Bug eines Schiffs. Die Magnetfeldlinien verbiegen sich, werden komprimiert und verstärkt.

Die Astronomen wollen nun weitere Kugelsternhaufen studieren, um ihr Modell zu überprüfen und die Eigenschaften des galaktischen Windes zu ermitteln. Der spielt bei der Entwicklung von Galaxien eine Rolle – ob als Haupt-akteur oder Nebendarsteller, ist noch nicht geklärt.