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Frühes Universum: Entstehung der ersten Magnetfelder nachgespielt

Stoßwellen im Labor und im ComputerLaden...

Magnetfelder lassen sich heute überall im Weltall beobachten – angefangen bei Planeten über Sterne bis hin zu Galaxienhaufen. Im Urknall selbst entstanden allerdings keine kosmischen Magnetfelder und so stellt sich die Frage, wo und wie sie das erste Mal auftraten. Eine Möglichkeit dafür bieten zum Beispiel die turbulenten Bedingungen in den Vorläufern von Galaxien. Gianluca Gregori von der University of Oxford in England und seine Kollegen untermauern diese Idee nun mit einem Laborexperiment.

Stoßwellen im Labor und im ComputerLaden...
Stoßwellen im Labor und im Computer | Auf der linken Seite des Bildes ist eine von einem Laser erzeugte Stoßwelle zu sehen. Hellere Farben stellen Bereiche höherer Dichte oder Temperatur dar. Die rechte Seite zeigt eine Computersimulation, in der die Forscher eine kollabierende Stoßwelle im frühen Universum – noch vor den ersten Galaxien – nachspielten.

Wie globale Magnetfelder gewissermaßen aus dem Nichts im Universum auftauchen könnten, beschrieb der Physiker Ludwig Biermann bereits 1950: Damit die elektrodynamischen Gleichungen dies hergeben, dürfen Druck- und Temperaturgefälle im intergalaktischen Medium nicht parallel verlaufen. In einem ionisierten Gas führt eine solche Situation letztlich zu elektrischen Strömen, die wiederum ein Magnetfeld induzieren. Antreffen ließen sich die nötigen Bedingungen für diesen Biermann-Batterie-Effekt zum Beispiel bei der Bildung von Galaxien, erläutern die Wissenschaftler um Gregori.

Genauer in den gewaltigen Stoßwellen, die beim Gravitationskollaps von protogalaktischen Strukturen – also riesigen Gaswolken – entstehen. Durch den Effekt sollten hier winzige magnetische Felder entstehen, die dann als magnetische Keimzellen dienen und durch turbulente Prozesse verstärkt werden. Das Team stellte die Vorgänge nun im Labor nach: In einer mit Helium gefüllten Kammer, fokussierten sie energiereiche Laserpulse auf ein winziges Kohlenstoffröhrchen. Die kurzfristige, hohe Energiedichte ließ das Röhrchen schlagartig expandieren, was wie beim Kollaps im Weltall zu einer Stoßwelle führte, die sich in der Experimentierkammer ausbreitete.

Tatsächlich konnte das Team in der Kammer ein Magnetfeld messen, das offenbar durch den Biermann-Batterie-Effekt in der Stoßwelle erzeugt wurde. Den Ergebnissen zufolge wäre es möglich, dass Stoßwellen in protogalaktischen Strukturen durchaus Feldstärken von rund 10-25 Tesla generieren, berichten die Forscher. Über Zeiträume von etwa 700 Millionen Jahren könnten Turbulenzen diese extrem schwachen Felder dann genügend verstärken, sodass sie die Evolution der Galaxien beeinflussen.

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  • Quellen
Nature 481, S. 480–483, 2012

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