Galaktische Magnetfelder

Überall in Galaxien bilden sich lokale Magnetfelder: in Sternen, aber auch in großen Gaswolken. Sie alle vereinen sich jedoch zu einem einzigen, einem sogenannten großräumigen Magnetfeld. Die Bedeutung dieser Felder für unser Verständnis der Entwicklung von Galaxien wird erst allmählich erschlossen – mit Forschung im Bereich der Radioastronomie und der sogenannten Synthrotronstrahlung. Wie wir diese Felder heute am Rande unserer Nachweismöglichkeiten aufspüren können, aber auch welche Rolle sie in der kosmischen Entwicklung haben, erklärt die Radioastronomin Marita Krause in meiner Reportage.

Das Universum mit Galaxien, Galaxienhaufen und großen leeren Räumen dazwischen – und zwei universale Kräfte im Widerstreit: die Expansion des Alls sowie die Gravitation. Seit wenigen Jahrzehnten verstärkt sich die Vorstellung, dass es noch eine weitere wichtige Energie im Kosmos gibt: elektromagnetische Felder. Diese von James Clerk Maxwell im 19. Jahrhundert erstmals beschriebenen Gleichungen  dringen zunehmend in die berechnete Welt kosmischer Weiten ein. Immer mehr setzt sich die Erkenntnis durch, dass Magnetfelder einen veränderten Blick auf die Entwicklungsgeschichte des Universums erlauben könnten. Doch sie zu vermessen, ist eine schwierige Aufgabe.

Die Magnetfeld-Forschung in unserem Sonnensystem hat  seit den fünfziger Jahren des 20. Jahrhunderts durch Raumsonden erheblich an Fahrt aufgenommen. Parker Solar Probe konnte sich mit ihren Magnetometern bereits auf weniger als 25 Mio. Kilometer nähern und dort eine bisher unbekannte kleinskalige Strukturen des Magnetfeldes erfassen.  Und mit den Voyager-Sonden ließ sich das solare Magnetfeld inzwischen bis an die Grenzen des Sonnensystems vermessen. Das brachte neue Erkenntnisse über die scharfe Grenze zwischen Heliosphäre und dem galaktischen Magnetfeld – ebenfalls mit der Aufdeckung einer erkennbaren kleinskaligen Struktur -, die selbst Experten überraschte.

Während wir Magnetfelder im Sonnensystem in immer kleineren Dimensionen beobachten, entdecken wir auch übergeordnete galaktische Magnetfelder. Diese Felder gewaltiger Dimension bezeichnen Astrophysiker als „großskalig“. Sie dort draußen zu messen, ist eine ganz andere Aufgabe, denn Sonden können dorthin  heute nicht fliegen.  Dafür braucht es also indirekte Methoden. Speziell für die großskaligen Magnetfelder kommen die größten Beobachtungs-Maschinen der Radioastronomie im Zentimeterbereich zum Einsatz: zum Beispiel das Very Large Array in New Mexico oder das Teleskop in Effelsberg, viele Jahre lang das größte  voll-bewegliche Radioteleskop der Welt. Das besondere Augenmerk gehört dabei dem polarisierten Licht, denn dieses ist ein sicheres Indiz, dass vor Ort die unsichtbaren Magnetfelder mit im Spiel sind.

Die für Radioastronomen auf der Erde messbare Strahlung besteht nur zu einem kleinen Anteil aus solch polarisiertem Licht. Es entsteht in Magnetfeldern, weil die Teilchen in ihnen auf schraubenförmige Bahnen gezwungen werden – und dabei Radiostrahlung aussenden, sogenannte Synchrotronstrahlung. Diese mit der Synchrotronstrahlung möglich gewordene „Faraday-Tomographie“ erforscht heute die Magnetfeldstrukturen fremder Galaxien. Neben der schwachen Strahlung kämpfen die Radioastronomen allerdings mit einem weiteren  Problem:  mit der schlechten Auflösung, die längst nicht so wie bei optischen Teleskopen ist. So operieren die Magnetfeldforscher des Kosmos am Rande der Nachweismöglichkeiten, wie Marita Krause in einem der zahlreichen Statements sagt.

Wie entstehen diese Magnetfelder? Astrophysiker gehen heute davon aus, dass es lokale Phänomene sind. Wahrscheinlich beginnt alles mit Fluktuationen im heißen Gas, lange bevor sich Galaxien überhaupt bilden. Zuletzt entstehen darin Sterne, die diese schwachen magnetischen Saatfelder verstärken. Mit Materieauswürfen von Supernova-Explosionen werden die Magnetfelder auch weit in den galaktischen Raum transportiert.

Im Prozess der Strukturbildung von Galaxien werden die lokalen Magnetfelder durch einen großräumig wirkenden Dynamo weiter verstärkt und vor allem geordnet. Doch indirekt messen können wir diese galaktischen Magnetfeldstrukturen immer nur in jenen Teilbereichen, in denen genügend viel Synchrothronstrahlung für die Beobachtung entsteht. Der allergrößte Teil der Magnetfelder liegt für uns also im Dunklen und ist bloße Berechnung, heißt: Viel Theorie ist für die Erforschung dieser großskaligen Magnetfeldstrukturen und ihres Ursprungs erforderlich. Die Basis ist der sogenannte Alpha-Omega-Dynamo, bei dem die differentielle Rotation der Spiralgalaxien mit berechnet werden muss, die Tatsache, dass sich die Sterne nicht wie Planeten auf Keplerbahnen starr um das Zentrum bewegen. Übrigens wird auch diskutiert, ob dieser spezifische Effekt in Spiralgalaxien durch solche Magnetfelder mit beeinflusst wird. Magnetfelder überlagern die Sternverteilung ganz unterschiedlicher Galaxientypen dabei in einer eigenständigen, meist spiraligen Struktur, die jedoch nicht an die Spiralstruktur der Sterne gekoppelt ist und sind dabei auch nicht an Spiralgalaxien beschränkt.

Unser Wissen über  galaktische Magnetfelder basiert heute auf großen Skalen. Es geht also auch darum, die in einem einzigen Pixel mit gewaltigen Ausmaßen gespeicherte Information über unterschiedliche Polarisationsrichtungen zu berechnen. Die Astrophysiker sprechen vom Polarisationsgrad im Pixel. Er erlaubt einen Einblick in die Struktur des Magnetfeldes in diesem Pixelraum über die unterschiedliche Polarisation in diesem Raum. Doch wie weit hinaus reichen Magnetfelder in den Raum? Diese Frage wird heute unter den Experten kontrovers diskutiert. Sicher ist inzwischen jedenfalls, dass es auch im Halo der Galaxien Magnetfelder gibt. Und neueste Simulationen zeigen jedenfalls schon den Einfluss von Magnetfeldern auf die Entwicklung von Galaxien. Letztlich geht es dabei auch um die Frage: Beobachten wir in den unterschiedlichen Galaxientypen vor allem  Entwicklungsstadien oder entwickeln Galaxien von Beginn an unterschiedliche Strukturen?

Wie solche schwachen Magnetfelder in Halos jedoch tatsächlich entstehen und ob sie auch bis in den freien Raum hinausreichen und damit also auch die Leere zwischen Galaxien durchziehen, darüber debattieren die Experten noch kontrovers. Sollten Magnetfelder auch den intergalaktischen Raum durchziehen, dann könnte es sein, dass sogar die noch größere Entwicklungsskala im Kosmos  mit Galaxienhaufen und ihren Filament-Strukturen durch Magnetfelder mit bestimmt wird.

Und dann gibt es für Magnetfeldforscher noch ein ungelöstes Problem: Die mit der Synchrotronstrahlung messbaren Feldlinien in offenen Spiralen entsprechen nicht denen der bekannten „Lichtmaschine“ mit ihren geschlossenen Feldlinien. Die Spiralen sind offen und verlieren sich im Raum, ohne sich zu schließen. Dennoch sind Radioastronomen und Astrophysiker heute überzeugt, dass auch den Magnetfeldern von Galaxien der bekannte, elektromagnetische Dynamoeffekt zugrunde liegt, auch wenn sich die Feldlinien für uns nicht beobachtbar schließen. Eine der vielen offenen Fragen der  Magnetfeldforschung, die der Wissenschaft ein ziemlich weites Terrain für aktive Beschäftigung bietet!

Bei dem vorliegenden Text handelt es sich um eine leicht bearbeitete Version des Sprechertextes der oben eingebundenen Reportage, die zahlreiche weiterführende Statements der Astronomin Marita Krause vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie enthält.