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Galaxien: Dynamos im Riesenformat

Bis vor kurzem wussten Astronomen noch sehr wenig über galaktische Magnetfelder - nur in der Milchstraße und einem benachbarten Sternsystem hatten sie diese direkt vermessen. Trotz allem hatten sie bereits eine Theorie zu deren Entstehung parat. Ein Blick in die kosmische Vergangenheit zeigt ihnen jedoch Galaxien, die sich anscheinend nicht an die Spielregeln halten.
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Dieser Versuch ist wohl in jeder Schule fest im Physikunterricht verankert: Der Lehrer streut feine Eisenspäne auf eine Fläche oberhalb eines Stabmagneten. Mit etwas Rütteln und Schütteln ordnen sich die Partikel entlang der Feldlinien an. In diesem Zuge lernten wir auch, dass unsere Erde ein Magnetfeld besitzt. Anders als bei den starren Stabmagneten sind hier vermutlich Konvektionsströme im äußeren Teil des Erdkerns verantwortlich. Nach demselben Prinzip baut angeblich auch die Sonne ihr Magnetfeld auf.

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Erdmagnetfeld | Das Erdmagnetfeld wird in ihrem Innern von einem so genannten Geodynamo erzeugt: Durch die Wechselwirkung zwischen Konvektion des eisenreichen äußeren Kerns und Rotation kommt es zur elektromagnetischen Induktion.
Und auch in noch größeren Dimensionen soll dieser Dynamoeffekt zum Tragen kommen: in Galaxien. Deren Magnetfelder sind zwar viel schwächer als die von Erde oder Sonne, dafür erstrecken sich ihre Feldlinien aber über Zigtausende von Lichtjahren. Astronomen vermuten, dass ein bereits bei deren Entstehung vorhandenes, aber schwaches Feld im Lauf von Milliarden Jahren durch die Rotationsbewegung sukzessive verstärkt wird – ähnlich einem gigantischen Dynamo.

Aufspüren lassen sich die Magnetfelder mit Hilfe von Radiostrahlung. Ist diese anfangs linear polarisiert und läuft auf dem Weg zur Erde durch eine magnetisierte Gaswolke, wird dessen Schwingungsebene gedreht. Je intensiver das durchlaufene Feld, desto stärker ist diese so genannte Faraday-Rotation.

Als Radioquellen eignen sich zum Beispiel die mehrere Milliarden Lichtjahre von uns entfernten Quasare – diese aktiven Galaxienkerne überstrahlen, vermutlich angeheizt von einem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum, ihre gesamte Wirtsgalaxie. Erst im Juli 2008 untersuchten Wissenschaftler um Martin Bernet von der ETH Zürich das Licht von dutzenden solcher Objekte. Galaxien, die zwischen Radioquelle und Teleskop liegen, besitzen demnach etwa zehn Mikrogauß starke Magnetfelder [1].

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Whirlpool-Galaxie | Mit Hilfe von Radiostrahlung lässt sich auch das Magnetfeld der Whirlpool-Galaxie (M51) sichtbar machen. Die Linien zeigen die gesamte Radiostrahlung an, während Striche die polarisierte Radiostrahlung und damit die Richtung der Magnetfeldlinien zeigen. Links oben im Bild ist der Quasar OC-65 dargestellt.
Damit sind sie zwar rund eine Million Mal schwächer als das Erdmagnetfeld, aber kommen dem der Milchstraße in etwa gleich. Die Astronomen verblüffte, dass magnetische Felder von derart jungen Galaxien – das Universum hatte damals gerade mal ein Drittel seinen jetzigen Alters – genauso stark waren wie bei heutigen, ausgewachsenen Galaxien.

Ein Team um Arthur Wolfe von der University of California in San Diego wollte dieses auf indirektem Wege gewonnene Ergebnis nun noch einmal nachvollziehen. Sie bestimmten das Magnetfeld der rund 6,5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernten Protogalaxie DLA-3C286 – ein Sternsystem, das sich gerade im Entstehen befindet – mit Hilfe einer direkten Methode [2]. Auch sie fingen zunächst Radiostrahlung eines hinter der Protogalaxie liegenden Quasars ein. Ein Teil der elektromagnetischen Wellen wurde bei der Reise durch das magnetisierte Gas von DLA-3C286 durch Wasserstoffatome absorbiert.

Gewöhnlich nehmen diese Licht nur bei ganz bestimmten Frequenzen auf und hinterlassen im Spektrum jeweils nur eine einzige scharfe Linie. Da die Atome hier jedoch einem starken Magnetfeld ausgesetzt sind, spalten sich die einzelnen Frequenzen in mehrere sehr eng beieinander liegende auf. Diesen so genannten Zeeman-Effekt nutzen die Wissenschaftler nun, um die Stärke des Magnetfelds in DLA-3C286 abzuleiten. Es ist das erste Mal, dass so eine Messung bei einem derart entfernten Himmelkörper gelang.

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DLA-3C286 | In der hier abgebildeten Galaxie stießen die Astronomen auf das starke Magnetfeld. Links ist das Originalbild und rechts das bereits bearbeitete Bild zu sehen.
Die gemessene Feldstärke ist unerwartet kräftig – mindestens zehnmal stärker als in unserer Galaxis. Dennoch, erklärt Wolfe, würden die jüngsten Ergebnisse nicht unbedingt dem Dynamo-Modell widersprechen – auch wenn dieses voraussagt, dass die Magnetfeldstärken in derart jungen Galaxien viel schwächer sein sollten. Es wäre vielmehr eine Herausforderung für die bislang führende Theorie.

Das Magnetfeld müsste nur viel schneller anwachsen als bisher angenommen. Womöglich, so Wolfe, gäbe es aber auch alternative Erklärungen für ihren Fund: Blickten sie zum Beispiel direkt auf die Zentralregion der massereichen Galaxie, sollten die Felder nach jetzigem Wissen aus nahen Sternsystemen größer sein als in der restlichen Galaxie. Denkbar wäre auch, dass das gemessene Feld durch eine Stoßwelle verstärkt wurde, die zuvor bei der Kollision zweier Galaxien freigesetzt wurde.

In jedem Fall bestärken die Daten die Vermutung, dass magnetische Felder eine wichtige Rolle in der Entwicklung von Galaxien spielen – insbesondere was die Rate der Sternentstehung und die Dynamik des interstellaren Gases angeht. Denn in der von ihnen untersuchten Region des Galaxienvorläufers bilden sich wenige oder sogar keine Sterne und womöglich liegt der Grund dafür in den extremen Magnetfeldern dort. Sie könnten das Gas daran hindern sich zu verdichten und Sterne zu bilden. Um diese Hypothese zu stützen, wären allerdings viele weitere Beobachtungen von fernen Galaxien nötig.
40. Woche 2008

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 40. Woche 2008

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  • Quellen
[1] Bernet, M. L. et al.: Strong magnetic fields in normal galaxies at high redshift. In: Nature 454, S. 302–304, 2008.
[2] Wolfe, A. M. et al.: An 84-µG magnetic field in a galaxy at redshift z = 0.692. In: Nature, 455, S. 638–640, 2008.

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