Starke Magnetfelder im Universum sind offenbar schon kurz nach dem Urknall entstanden. Das hat ein internationales Forscherteam mit Hilfe von dreidimensionalen Computersimulationen gezeigt. Danach ist eine Magnetfeldverstärkung durch turbulente Strömungen auch unter extremen physikalischen Bedingungen möglich und kann damit bereits in einer frühen Phase der Entstehung des Universums aufgetreten sein, schreiben die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.
Sowohl das Gas zwischen den Sternen einer Galaxie als auch die Materie zwischen den Galaxien ist magnetisiert. Wie diese Magnetfelder, die sich mit Teleskopen beobachten lassen, entstanden sind, ist bisher jedoch kaum bekannt.
Jetzt liefert das internationale Forscherteam um Christoph Federrath von der Universität Heidelberg eine Erklärung: Der zugrundeliegende Mechanismus ist die Verstärkung anfänglich schwacher Magnetfelder durch turbulente Strömungen, wie sie auch im Erdinnern und der Sonne oder – wie vorhergehende Studien dokumentieren – bereits im frühen Universum vorhanden sind.
Computerbasierte Modellrechnungen
„Diese Turbulenzen sorgen dafür, dass magnetische Felder exponenziell anwachsen. Wie unsere computerbasierten Modellrechnungen gezeigt haben, ist dies auch unter vermeintlich ungünstigsten physikalischen Voraussetzungen möglich – also schon unmittelbar nach dem Urknall, als die ersten Sterne im Universum entstanden sind“, sagt Federrath.
Die Astrophysiker nutzen für ihre Arbeit dreidimensionale Computersimulationen, die mit mehr als 32.000 Prozessoren parallel berechnet wurden. Sie demonstrieren, wie Magnetfeldlinien durch turbulente Strömungen gedehnt, verbogen und zusammengefaltet werden. Die dazu erforderliche Energie wird der Turbulenz entzogen und fließt in das Magnetfeld. So wie beispielsweise elektrischer Strom durch die Bewegung von Ladungsträgern ein Magnetfeld erzeugt, wirkt auch auf Ladungen eine Kraft, wenn sie sich in einem Magnetfeld bewegen.
Turbulenter Dynamo
„Das Wechselspiel von turbulenter Energie und Magnetfeld führt dazu, dass aus einem anfangs schwachen ein so starkes Magnetfeld wird, dass es die dynamischen Eigenschaften der Materie verändern kann“, erläutert Federrath, der am Institut für Theoretische Astrophysik forscht. „Dieser physikalische Prozess ähnelt dem Erzeugen von elektro-magnetischer Energie in einem Fahrrad-Dynamo und wird deshalb auch als ,turbulenter Dynamo‘ bezeichnet.“
Die Wissenschaftler wollen nun mehr über die dynamische Bedeutung dieser Magnetfelder und ihre Auswirkungen auf die ersten Sterne und Galaxien herausfinden. „Aufgrund der Existenz von Magnetfeldern ist es insbesondere denkbar, dass es bereits bei den ersten Sternen zu Materie-Ausflüssen, sogenannten Jets, gekommen ist“, erläutert Federrath. (Physical Review Letters, 2011; doi: 10.1103/PhysRevLett.107.114504)
(Universität Heidelberg, 09.09.2011 – DLO)
