Man sieht sie nicht, hört sie nicht und kann sie auch nicht spüren. Dennoch sind sie überall: Magnetfelder. Die zitternde Kompassnadel lässt die Kraft des Feldes erahnen, das die Erde einhüllt und das Leben vor dem Bombardement energiereicher Teilchen aus dem All schützt. Auch die Sonne und große Planeten wie Jupiter und Saturn erzeugen im Innern starke Magnetfelder. Bei unserem Tagesgestirn verursacht die magnetische Aktivität den elfjährigen Sonnenzyklus, die Zu- und Abnahme der Sonnenflecken.
Physiker wissen mittlerweile recht gut, auf welche Weise die heiße Materie im Innern dieser Himmelskörper die Felder erzeugt. Der weite Raum zwischen den Sternen und den Galaxien aber ist ein fast perfektes Vakuum – und dennoch existieren dort riesig ausgedehnte Magnetfelder. Die Erklärung liegt vermutlich in einem Phänomen, das Astronomen bereits seit 20 Jahren beobachten, dessen Ursache sie aber erst vor einigen Monaten auf die Spur gekommen sind: Im Innern von Galaxienhaufen gibt es Millionen von Lichtjahre große Gebiete, die Radiostrahlung aussenden, obwohl sie offenbar keinen Bezug zu einer der Galaxien haben. Lange Zeit blieb unklar, woher diese „Radiorelikte” die hierfür nötige Energie beziehen und was das mit den Magnetfeldern zu tun hat.
Die Zusammenhänge entdeckten die Forscher über einen Umweg. Dabei spielten so genannte Jets die Hauptrolle: eng gebündelte Materiestrahlen, die aus den Zentren aktiver Galaxien und Quasare mit nahezu Lichtgeschwindigkeit herausschießen (bild der wissenschaft 10/2001, „Ordnung im extragalaktischen Zoo”). An ihrer Vorderseite verwirbeln sie sich zu riesigen Blasen, die Radiostrahlung aussenden. Die Experten schätzen, dass eine solche Radiowolke höchstens einige hundert Millionen Jahre lang leuchtet. Dann versiegt die Quelle. Der Gasballon verlischt wie ein verglimmender Kerzendocht und wird zu einem „Radiogeist”.
Von „Geist” sprechen Astronomen deshalb, weil die Wolke auf Radiokarten nicht zu finden ist. Torsten Enßlin, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching, und sein Kollege Gopal Krishna vom Nationalen Zentrum für Radioastronomie im indischen Puna, fanden eine Erklärung, wie die Radiogeister zum Leben erweckt werden könnten, um dann als Radiorelikt wieder zu erscheinen.
Anstoß für ihre Theorie waren Beobachtungen mit Röntgenteleskopen. Während Aufnahmen im sichtbaren Licht den Eindruck vermitteln, als wäre der weite Raum zwischen den Galaxien absolut leer, offenbaren Röntgenbilder ein fein verteiltes Gas. Es ist mehrere Millionen Grad heiß und leuchtet intensiv im Bereich der Röntgenstrahlung. In vielen Haufen ist die Materie relativ gleichmäßig verteilt. Es gibt jedoch Beispiele für lokale Verdichtungen. Astrophysiker vermuten, dass man hier die Auswirkungen von zwei zusammenstoßenden Galaxienhaufen beobachtet. Die Gasmassen der beiden Haufen prallen aufeinander und werden in Stoßwellen stark verdichtet und erhitzt.
„Derartige Kollisionen sind – so weit wir wissen – die energiereichsten Ereignisse im Universum nach dem Urknall”, meint Torsten Enßlin. Sie übertreffen in der Summe sogar noch die GRBs (Gamma-Ray Bursts), die Gammastrahlen-Ausbrüche (bild der wissenschaft 6/2002, „Kosmische Knaller im Röntgenschein”).
„Bei der Kollision werden Energiemengen um die 1055 bis 1057 Joule freigesetzt”, sagt Enßlin, „hauptsächlich zur Heizung des thermischen Gases auf 10 bis 100 Millionen Grad Celsius. Ein GRB hat maximal 1046 Joule, wahrscheinlich weniger.” Allerdings sind die Zeitskalen sehr verschieden. Bei Galaxienhaufen-Kollisionen dauert es bis zu einer Jahrmilliarde, um diese Energie freizusetzen, bei einem GRB aber nur ein paar Sekunden. „Daher ist die Leistung – die Arbeit pro Zeiteinheit – eines GRB größer, aber die Gesamtenergie wegen der kurzen Dauer weitaus geringer.”
Ein Radiogeist könnte reaktiviert werden, wenn eine solche Stoßwelle über ihn hinwegfegt. Dann wird das Gas in ihm stark zusammengedrückt, erhitzt sich und beginnt zu strahlen. Nach Enßlins Computermodellen, die er zusammen mit Marcus Brüggen erstellt hat, der nun Assistant Professor for Astrophysics an der International University Bremen ist, kann ein Radiogeist bis zu eine Milliarde Jahre nach seinem Erlöschen wieder entfacht werden. Darüber hinaus zeigten die Astrophysiker, dass sich ein ursprünglich kugelförmiger „Geist” in eine ringförmige Struktur verwandelt, wenn eine Stoßwelle über ihn läuft. „Bei dieser Entdeckung kam uns ein glücklicher Zufall zu Hilfe”, sagt Enßlin. „Etwa zeitgleich mit unseren Rechnungen veröffentlichten Kollegen Daten, die sie mit dem Very Large Array bei Socorro, New Mecico, erhalten hatten. Diese zeigten vier Radiorelikte, deren Form ziemlich genau mit unseren Computer-Simulationen übereinstimmte.” Röntgenaufnahmen, die das aufgeheizte Gas im Innern von Galaxienhaufen sichtbar machen, unterstützen diese Interpretation.
Doch was haben diese Geister und Relikte mit Magnetfeldern zu tun? Die Jets, die die Radioblasen erzeugen, kann man sich wie lange Röhren vorstellen, in denen Magnetfelder die elektrisch geladenen Teilchen zusammenhalten. Gleichzeitig ziehen die Teilchen das Feld mit sich und tragen es in den intergalaktischen Raum hinaus, wo es schließlich die Radioblase am Jet-Kopf ausfüllt. Nach den Computersimulationen werden diese Felder genau wie das Gas zu ringförmigen Strukturen komprimiert, wenn eine Stoßwelle über sie hinwegfegt.
Die Stärke der intergalaktischen Magnetfelder lässt sich nur sehr schwer messen. Die Radiostrahlung und vermutlich auch ein Teil der Röntgenstrahlung gehen von Elektronen aus, die in diesen Feldern abgebremst werden. Daher lassen sich aus den Beobachtungsdaten die dort herrschenden Feldstärken näherungsweise bestimmen. Solche Analysen führen auf durchschnittliche Werte von einem Millionstel Gauß. Zum Vergleich: Die Stärke des Erdmagnetfeldes beträgt in mittleren Breiten etwa ein halbes Gauß. „10 bis 100 aktive Galaxien reichen aus, um im Laufe der Existenz eines Galaxienhaufen dessen intergalaktisches Feld aufzubauen”, schätzt der kanadische Experte Philipp P. Kronberg, Physik-Professor an der kanadischen University of Toronto.
Die Suche nach den Ursprüngen dieser Magnetfelder führt direkt in die Zentren der Jet-Galaxien. Dort vermuten die Astrophysiker riesige Schwarze Löcher (bild der wissenschaft 9/2002, „Schwarze Löcher – Die Monster im All”). Sie ziehen aus der Umgebung Gas an, das sich zunächst in einer Scheibe ansammelt und darin um das Schwarze Loch herumwirbelt. Dabei heizt es sich auf und strudelt langsam, aber unaufhaltsam in den kosmischen Malstrom hinein.
Das Gas in der Scheibe ist so heiß, dass die Atome ihre Elektronen verloren haben. Physiker sprechen von einem Plasma, in dem sich positiv geladene Protonen und negativ geladene Elektronen frei bewegen. In einer solchen Scheibe kommt es zu einem komplizierten Wechselspiel zwischen Magnetfeldern und Teilchen (siehe Kasten links „Jets und intergalaktische Magnetfelder”). Dabei wird ein starkes schraubenförmiges Magnetfeld senkrecht zur Plasmascheibe aufgebaut, entlang dessen ein kleiner Teil des Plasmas herausschießen kann und damit dem Sog ins Schwarze Loch entgeht. Die rotierende Plasmascheibe verstärkt das Magnetfeld um viele Zehnerpotenzen, weshalb Kronberg vermutet: „Plasmascheiben um Schwarze Löcher sind möglicherweise die effektivsten Magnetfeldverstärker im Universum.”
Genauer als über die Verhältnisse im intergalaktischen Raum wissen die Astronomen über Magnetfelder im Innern von Galaxien Bescheid. Auf diesem Gebiet sind Rainer Beck, promovierter Astronom am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, und seine Mitarbeiter seit Jahren weltweit führend. Sie vermessen Magnetfelder in Galaxien mit Hilfe der polarisierten Radiostrahlung, die sie mit dem 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg und anderen Teleskopen in aller Welt beobachten. Grundsätzlich scheint es bei jeder Art von Galaxie Magnetfelder zu geben. Besonders beeindruckend sind die Messungen bei Spiralgalaxien – jenem Typ, zu dem auch unsere Milchstraße gehört.
Hier entdeckten die Bonner Forscher, dass die Magnetfelder die gleiche Spiralstruktur haben wie die optische Erscheinung. Allerdings liegen die Magnetspiralen zwischen den sichtbaren Spiralarmen. Dieses auf den ersten Blick verblüffende Resultat lässt sich erklären, wenn man Beobachtungen mit Teleskopen heranzieht, die zu Interferometern zusammengeschaltet sind. Sie liefern extrem scharfe Bilder, die sich dann mit den Radio-Daten aus Effelsberg kombinieren lassen.
Die Radiobilder verdeutlichen, dass auch in den Spiralarmen starke Felder herrschen. Allerdings sind sie auf kleinere Gebiete konzentriert und wechseln zwischen den Bereichen die Richtung. „ Für diese Turbulenz sind vermutlich Sternexplosionen verantwortlich. Zwischen den Spiralarmen sind die Magnetfelder dagegen wohlgeordnet und bilden ein fast perfektes Spiralmuster”, sagt Beck.
Die Astronomen sind heute sicher, dass Magnetfelder im Innern von Spiralgalaxien eine ähnliche Ursache haben wie in den Scheiben der Schwarzen Löcher. In einer Spiralgalaxie übernimmt das Gas zwischen den Sternen die Rolle der Plasmascheibe. „Die Sternexplosionen verstärken das vorhandene Feld, wirbeln es aber durcheinander. Die allgemeine Rotation der Galaxie ordnet das Chaos dann wieder zu einem gleichmäßigen Magnetfeld”, erklärt Beck.
Wie ein solcher galaktischer Dynamo funktioniert, lässt sich theoretisch gut erklären. Welchen Einfluss ein Magnetfeld aber auf die Entwicklung oder die Entstehung einer Galaxie hat, ist weitgehend unklar. Die Bonner Forscher fanden heraus, dass die in den Magnetfeldern gespeicherte Energie vergleichbar ist mit der thermischen Energie von heißem Gas und mit der kinetischen Energie der turbulenten Bewegung kalter Gaswolken. Bekannt ist, dass die Felder eine wichtige Rolle bei der Sternentstehung spielen müssen, die im Wesentlichen in den sichtbaren Spiralarmen abläuft – also dort, wo die Gasdichte hoch und die Felder stark verwirbelt sind.
Ein Stern entsteht, wenn sich eine große Gas- und Staubwolke unter dem Einfluss der Schwerkraft zusammenzieht und kleine, dichte Kerne bildet. Eine zufällige, anfänglich vorhandene Drehbewegung wird immer schneller, je weiter der Kern schrumpft. Die hierbei auftretenden Fliehkräfte ziehen ihn senkrecht zur Rotationsachse auseinander und platten ihn zu einer Scheibe ab. Im Zentrum formt sich der Stern, in den Außenbereichen entstehen eventuell Planeten.
Bei diesem Vorgang gibt es einen Haken: Die Fliehkräfte müssten irgendwann so groß werden, dass sie die weitere Kontraktion der Wolke stoppen, noch bevor der Stern entstanden ist. Da dieser Fall offensichtlich nicht eintritt, muss es einen Mechanismus geben, der die Scheibenrotation bremst, so dass sich das Gas weiter zusammenziehen kann. Hier vermuten Theoretische Physiker den Einsatz einer magnetischen Bremse, die nach folgendem Prinzip funktioniert:
Die Magnetfelder durchziehen die Gasscheibe und werden von dem Gas mitgeschleppt – wie Gummibänder in zähem Honig. Vermutlich werden dabei Teilchen entlang der Feldlinien und parallel zur Rotationsachse der Scheibe ins All hinaus katapultiert. Dafür ist Energie nötig, die das Magnetfeld aus der Drehbewegung des Gases abzapft. In der Folge wird die Scheibe langsamer, und die Materie kann weiter kontrahieren.
„Eigentlich müssten wir bei allen Vorgängen, die sich in Galaxien abspielen, die Wirkung der Magnetfelder mit berücksichtigen. Bislang gibt es aber kaum Computermodelle, die das können”, bedauert Richard Wielebinski, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Professor an der Universität Bonn. Das liegt daran, dass man die Felder zum einen theoretisch kaum in den Griff bekommt und sie zum anderen schwer messbar sind. Wenn sich ein astrophysikalischer Vorgang mit einem Modell nicht so recht beschreiben lässt, greifen Forscher seit jeher gern auf die unberechenbare Wirkung von Magnetfeldern zurück. Der Astronom Lodewijk Woltjer, ehemaliger Direktor der Internationalen Astronomischen Union und der Europäischen Südsternwarte, drückte dies vor 35 Jahren so aus: „Je größer das Unverständnis, desto stärker die Magnetfelder.”
Dank der Radio- und Röntgenmessungen ist unser Verständnis von den Magnetfeldern in den letzten Jahren erheblich gewachsen. Es steht inzwischen außer Frage, dass die kosmischen Dynamos in Spiralgalaxien und bei Schwarzen Löchern sehr effektiv Magnetfelder verstärken und aufrecht erhalten können. Aufwändigen Computersimulationen zufolge dauert es einige hundert Millionen Jahre, bis ein Dynamo im Innern einer Galaxie angelaufen ist, ein anfänglich schwaches Feld bis auf den heute beobachteten Wert verstärkt hat und anschließend mit konstanter Leistung
weiterläuft. Aber er kann kein Feld aus dem Nichts erzeugen. Es müssen bereits „Saatfelder” vorhanden sein, die in den Scheiben verstärkt werden. Doch keiner weiß, auf welche Weise die Ur-Magnetfelder ins Universum gekommen sind.
Jets und intergalaktische Magnetfelder
Auch wenn die intergalaktischen Felder wohl vergleichsweise schwach sind, haben sie doch einen Einfluss auf die Materie. Zum einen ist das intergalaktische Gas extrem dünn verteilt, so dass nur geringe Kräfte nötig sind, um es zu beeinflussen. Zum anderen existieren die Felder über Milliarden von Jahre – vermutlich sogar über das gesamte Weltalter – hinweg und wirken ständig auf das intergalaktische Gas ein. Insbesondere im Jugendstadium des Universums könnte dies von Bedeutung gewesen sein.
Es ist schon seit einigen Jahren bekannt, dass es nicht immer gleich viele Quasare gab. Beobachtungen belegen, dass das Universum einige Milliarden Jahre nach dem Urknall eine Ära mit einer ungewöhnlich hohen Quasar-Aktivität durchlief. In diesem Zeitraum haben die Jets vermutlich das intergalaktische Medium mit Magnetfeldern erfüllt. Das muss sich auf die Entstehung und Entwicklung weiterer Galaxien ausgewirkt haben – auf welche Weise, lässt sich derzeit nur ahnen.
Magnetfelder haben zum Beispiel die Fähigkeit, dass sie Gas, in das sie eingebettet sind, erhitzen, indem sich Feldlinien unterschiedlicher Richtung verbinden oder auslöschen („ Rekonnektion”). Auf diese Weise heizt sich die Korona der Sonne bis auf mehrere Millionen Grad auf. Außerdem führen Magnetfelder dazu, dass sich Protonen und Elektronen vornehmlich entlang der Feldlinien bewegen, nicht jedoch quer zu ihnen. Beide Effekte wirken der Entstehung von Sternen und Galaxien entgegen. Die Forscher rätseln daher, ob ohne die einstige heftige Aktivität der Quasare und die dabei entstehenden Magnetfelder sich mehr Galaxien gebildet hätten. Immerhin übersteigt die Masse des intergalaktischen Gases diejenige der Galaxien in einem Haufen um das Fünf- bis Zehnfache. Doch es ist unklar, warum sich dieses Gas nicht zu Galaxien zusammengeballt hat. TB
Saatfelder und Biermann-Batterien
Der Ursprung kosmischer Magnetfelder bereitet Astronomen Kopfzerbrechen. Denkbar ist, dass ein Feld entsteht, wenn sich eine riesige Urgaswolke zu einer Galaxie zusammenzieht. Allerdings müssten dann Protonen und Elektronen voneinander getrennt werden. Dadurch würde ein elektrisches Feld entstehen, und es würde ein elektrischer Stromfluss einsetzen, der ein Magnetfeld erzeugt. Dieses müsste dann beispielsweise in einer rotierenden Gasscheibe sofort eingefangen und darin verstärkt werden. Dieser Effekt wird „Biermann-Batterie” genannt – nach dem deutschen Astrophysiker Ludwig Biermann, der schon vor einem halben Jahrhundert die Theorie für das Innere von Sternen entwickelte. Eine Biermann-Batterie liefert Felder mit höchstens 10-20 Gauß.
Die Felder könnten jedoch bereits kurz nach dem Urknall entstanden sein. Damals spalteten sich binnen der ersten Sekunde die vier fundamentalen Kräfte der Natur von einer allumfassenden, einheitlichen Urkraft ab (bild der wissenschaft 5/2002, „Urknall für Einsteiger”). Bei jedem dieser Phasenübergänge änderten sich spontan die physikalischen Bedingungen in dem heißen Plasma. Wenn einer dieser Phasenübergänge lokal unterschiedlich ausgeprägt war und heftige Turbulenzen erzeugt hat, könnten dabei Magnetfelder entstanden sein.
Vielleicht haben die Magnetfelder sogar die Bildung der Elemente beeinflusst. Denn in starken Magnetfeldern verlängert sich die Lebensdauer von Neutronen. Dadurch verschiebt sich das Häufigkeitsverhältnis der ersten Protonen zu Neutronen und nachfolgend auch die Häufigkeit des entstehenden Heliums.
Wenn Magnetfelder auf die Entstehung der ersten Verdichtungen im Urgas eingewirkt haben, die sich zu Galaxien und Galaxienhaufen weiterentwickelten, könnten sich die Auswirkungen noch heute beobachten lassen – und zwar in der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Sie entstand etwa 300000 Jahre nach dem Urknall und enthält eine Fülle von Informationen über den frühen Zustand des Universums (bild der wissenschaft 6/2001, „Die flache Welt”). TB
Thomas Bührke
