Magnetfelder in der Milchstraße

 

Unsere alltägliche Welt lebt davon, dass wir sie, sofern wie möglich, mit unseren eigenen Sinnen erfassen und auf diesem Wege realisieren. Mit unseren Augen, sehen wir zb. Ein Auto, dass uns als Fußgänger auf der Straße entgegenkommt. Dabei wissen wir genau, dass die Entfernung zwischen uns und dem entgegenkommenden Objekt immer kleiner wird und im schlimmsten Fall ein Unfall bevorsteht. Wir wissen nämlich intuitiv, dass wir das Auto auch „fühlen“ können und nicht nur sehen, wenn es eben mies läuft. Grundsätzlich problematisch ist es, wenn theoretische Vorhersagen postulieren, dass etwas für uns nicht vollständig fassbares in der Natur tatsächlich existiert und sich schlichtweg der Wahrnehmung unserer Sinne entzieht.

 

In der Physik macht man währenddessen seit längerer Zeit Bekanntschaft mit sogenannten Feldern. Felder sind etwas sehr merkwürdiges, da wir sie weder riechen, sehen noch fühlen können. Sie scheinen offenbar einfach da zu sein, und das einzige was sich mit ihnen anfangen lässt, ist eine Messung ihrer Eigenschaften auf Grundlage solider wissenschaftlicher Experimente und Thesen. Bis in die 1950er Jahre war die uns bekannte Astronomie im Wesentlichen eine „optische Sache“. Wie euch sicher bekannt ist, umfasst das elektromagnetische Spektrum einen nur vergleichsweisen kleinen Teil an sichtbarem Licht. Alle Dinge, die wir mit unserem Auge wahrnehmen, liegen in einem Wellenlängenbereich zwischen etwa 370 und 780 Nanometern. Darüber hinaus existieren jedoch noch weitere Strahlungsformen, unter anderem die Radiostrahlung und die war es die ab ca. 1950 einen weiteren, wichtigen Entwicklungsschritt der Astronomie in die Wege leitete. Bei der Durchmusterung des Himmels und der intensiven Analyse der Struktur unserer Milchstraße, fiel den Forschern zu dieser Zeit etwas besonderes auf: Unsere Galaxie schien, damals völlig unerwartet, sehr viele, weiträumig ausgedehnte Magnetfelder zu besitzen, deren Struktur ansatzweise an die Spiralarme angepasst war. Zwar wurde schon nach kurzer Zeit klar, dass die galaktischen Magnetfelder nur eine sehr geringe Stärke hatten (sie waren nur ca. 1 Millionstel so stark wie auf der Erde), jedoch erschien ihre Natur anlässlich ihrer gewaltigen Ausdehnungen von mehreren Tausend Lichtjahren für die Astrophysiker von entscheidender Relevanz.

 

Selbstverständlich kannte man „das Magnetfeld“ schon viel länger. Auch über die Entstehung, Induktion und das Vergehen eines solchen Feldes war bereits viel bekannt, jedoch erschienen die beobachteten Felder im jeweils völlig verschiedenen Kontext. Der folgende Text, soll sich mit der Frage befassen, inwiefern Galaxien interstellare Magnetfelder induzieren können und welche Rolle sie für die galaktische Entwicklung spielen. Auf die lokalen Felder die zb. Von magnetischen Sternen, Pulsaren oder Schwarzen Löchern ausgehen, soll im Rahmen dieses Textes jedoch nicht mehr eingegangen werden.

 

Zunächst etwas grundsätzliches aus allgemeinen Kenntnissen der Physik: Jedes geladene Teilchen, baut um sich herum ein elektrisches Feld auf. Ein Elektron zb. Besitzt, zwar nicht messbar aber theoretisch vorhersagbar, ein in sehr geringem Umfang vorhandenes elektrisches Feld. Gleiches gilt für ein Proton, dass im elektrischen Feld bereits eine Beschleunigung widerfährt. Damit es aber nun zur Entstehung eines Magnetfeldes kommt, müssen sich Ladungsträger in Bewegung setzen. Jeder weiss, aus der 6. Klasse, dass der Fluss negativer Ladungsträger im Allgemeinen als Strom bezeichnet wird und jeder Strom ein Magnetfeld induziert.

 

Nun ist es jedoch so, dass in der Schule im experimentellen Rahmen aller bestehenden Möglichkeiten bereits eine ausgezeichnete Flussrichtung der Elektronen relativ zu den positiv geladenen Protonen vorliegt. Im Universum, haben wir es aber in der Regel mit riesigen Gaswolken, bestehend aus Wasserstoff, Helium und anderen schwereren Elementen zu tun. Dort ist das ganze nicht so einfach. Damit es zur Entstehung von Magnetfeldern im Kosmos kommt, scheint es unausweichlich zunächst einen elektrischen Strom zu induzieren und damit einen Fluss negativer Ladungsträger relativ zu den positiv geladenen Protonen zu ermöglichen. Wie aber soll das in einem Gas geschehen, dass im schlimmsten Fall auch noch als vollkommen ungeordnetes System, keine ausgezeichnete Flussrichtung aufweist?

 

Ein Blick zurück bis an den Anfang von allem hilft uns hier weiter! Unmittelbar nach dem Urknall befand sich das Universum in einem schwierigen Zustand. Es herrschte in jedem Raumgebiet zu jeder Zeit annäherndes thermisches Gleichgewicht. Elektronen und Photonen, waren unfassbar intensiv aneinander gebunden, und standen lange Zeit in Abhängigkeit. Elektrische Ströme, sind zu dieser Zeit undenkbar! Wieso? Weil die hochenergetischen Photonen des damaligen Kosmos, jede kleine Relativbewegung eines Elektrons zu einem Proton sofort ausgeglichen hätten. Die intensive Wechselwirkung von Strahlung und Materie verhinderte zunächst die Entstehung eines elektrischen Stroms und damit eines Magnetfeldes. Die Lage veränderte sich rasant, als 380 000 Jahre nach dem Urknall die Rekombination einsetzte und sich freie Elektronen, freie Protonen einfangen durften. Das aller erste mal existieren Photonen und Elektronen nun unabhängig voneinander und eine potenziell einsetzende Relativbewegung eines Elektrons zu seinem Proton hätte nicht unterbunden werden können. Zumindest theoretisch ist nun die Induktion von Magnetfeldern denkbar.

 

Dumm ist nur, dass Elektronen Teil von Atomen sind und erst „eigenständig“ werden wenn sie in einen Ionisationszustand kommen. Dieser Ionisationszustand tritt bei Wasserstoff abhängig von der Dichte und Temperatur bei etwa 4 500 Kelvin ein und führt erst dann zur Entkopplung der Elektronen vom Atom. Damit überhaupt eine Relativbewegung möglich ist, bedarf es also einer Ionisation und die erfordert sehr viel Hitze! Glücklicherweise gibt es im Kosmos viele Prozesse, die die für eine Ionisation des Wasserstoffs erforderliche Temperatur aufbringen. Vor allem sind es in den Gaswolken entstehende Sterne, die durch ihre anfänglich intensiven Strahlungsausbrüche das umliegende Gas erhitzen. Welche Möglichkeiten haben wir aber nun für eine Galaxie, die weit entwickelt lange nach dem Urknall, interstellare Magnetfelder bei ihrer Entstehung induzieren möchte?

 

Die erste Möglichkeit für die Induktion eines Magnetfeldes, bietet eine gerichtete Strahlungsquelle. Eine sich potenziell im Zentrum der Galaxie ausgebildete Quelle, die radial nach Außen Photonen abstrahlt. Unter der Annahme eines Compton-Effektes übeträgt ein Photon Teile seiner Energie auf ein umliegendes Elektron. Infolge dessen erhöht sich die kinetische Energie des negativen Ladungsträgers, der sich unmittelbar nach Abschluss des Prozesses in Bewegung setzt und zwar relativ zum ruhenden Proton.

 

Die zweite Möglichkeit wäre ein auftauchender Druckgradient, bei dem wir davon ausgehen, dass ein Massenschwerpunkt alle anderen Massenelemente anzieht. Die Protonen die 2000-mal schwerer sind als die vorhandenen Elektronen, werden weniger stark in das Zentrum des Gravitationsfeldes gezogen, was wiederum eine Relativbewegung der verglichen leichten Elektronen zu den „schweren“ Protonen nach sich zieht. Dieser Effekt ist vornehmlich relevant, für sehr konzentrierte und enge Areale. Ein solcher bestehender Druckgradient existiert vor allem in Sternen, ist für die Generierung eines stellaren Magnetfeldes jedoch in erster Linie nebensächlich.

 

Wichtig ist nun, dass ein Magnetfeld in jeder Galaxie auf dem Wege dieser beiden Prozesse induziert werden kann. Im weiteren Teil hilft und die Dynamotheorie, deren wesentlicher Grundsatz ist: Unter der Anwesenheit eines Magnetfeldes, kann jegliche Form der kinetischen Energie in magnetische Energie umgesetzt werden!

 

Das bedeutet: Hat eine Galaxie bei ihrer Entstehung durch die oben aufgeführten Möglichkeiten der Induktion eines Stromes ein Magnetfeld aufgebaut (es ist vollkommen egal wie schwach das ist), so wird sie jede in ihr auftauchende Form von Bewegungsenergie in magnetische Energie umsetzen können. Als mögliche Quellen der galaktischen Bewegungsenergie gelten insbesondere galaktische Fontänen, Sternenströme, die Bewegung der Spiralarme oder einfallende Gasmassen.

 

Es ist im Prinzip also nicht so schwierig für eine Galaxie ein ausreichend starkes Magnetfeld zu induzieren. Es bedarf „lediglich“ der Generierung eines anfänglich schwachen Magnetfeldes bei ihrer Entstehung. Infolge dessen, kann jede Form der in ihr auftauchenden kinetischen Energien in Magnetismus umgesetzt werden. Das ist offenbar nicht nur in unserer Galaxie der Fall, sondern auch in fast jeder anderen, die am Nachthimmel mit leistungsstarken Teleskopen zu beobachten ist. Vorsicht: Es gibt natürlich wieder Spezialfälle, daher rate ich von allgemeinen Pauschalisierungen ab.

 

Ein vergleichsweise kurzer Text, der auch nur als kleine Einführung in die Thematik des Magnetfeldes fungieren soll. Fritz Zwicky hatte während der Entdeckung der ersten interstellaren Magnetfelder bereits das völlig richtige gesagt. Auf die Frage, wie es seiner Meinung nach möglich sei, dass diese riesigen Magnetfelder in unserer Galaxie entstanden sind antwortete er: ,,Und Gott sprach es werde Licht, und Magnetelder.“