Magnetfelder im jungen Kosmos

Schon im frühen Kosmos besaßen Galaxien Magnetfelder. Noch allerdings ist unklar, wie diese Magnetfelder entstanden sind. Die Astrophysiker gehen davon aus, dass schwache Saatfelder durch Dynamoeffekte oder turbulente Prozesse verstärkt wurden, bis die Magnetfelder die beobachteten Stärken erreicht hatten. Doch wo kamen die Saat-Magnetfelder her?

Eine mögliche Erklärung ist der Biermann-Batterie-Effekt. Dabei führen in einem Plasma Druck- und Temperaturgradienten – wenn sie nicht parallel zueinander verlaufen – zur Entstehung elektrischer Ströme, die ihrerseits Magnetfelder induzieren.

Solche schräg zueinander verlaufende Gradienten sind eine unausweichliche Begleiterscheinung beim Kollaps protogalaktischer Strukturen, weil die dabei entstehenden Stoßwellen zu geometrischen Asymmetrien führen. Theoretische Überlegungen sagen durch solche Biermann-Batterien Saatfelder mit einer Stärke von 10^-21 Gauß vorher.

Gianluca Gregori vom Department of Physics der University of Oxford und seinem internationalen Forscherteam ist es nun erstmals gelungen, die Entstehung von Magnetfeldern durch den Biermann-Batterie-Effekt im Experiment zu reproduzieren. Am Laboratoire pour l’Utilisation de Lasers Intenses (Luli), einer internationalen Großforschungseinrichtung zur Erforschung der Wechselwirkung von Laserstrahlen und Materie bei hohen Energien im Süden von Paris, beschossen die Wissenschaftler einen Kohlenstoffstab mit hochenergetischen Laserpulsen. Mithilfe optischer Methoden beobachteten Gregori und seine Kollegen dann die Ausbreitung des expandierenden Plasmas. Außerdem maßen die Forscher mit Induktionsspulen die Magnetfelder, die sich im Inneren des Plasmas bildeten.

Ein bis zwei Mikrosekunden nach dem Eintreffen des Laserpulses registrierten die Spulen in einem Abstand von drei Zentimetern einen Anstieg des Magnetfelds auf 10 bis 30 Gauß. Eine genaue Analyse der Daten führte Gregori und sein Team zu dem Schluss, dass das gemessene Magnetfeld durch den Biermann-Batterie-Effekt entstanden sein musste – andere Erklärungen stimmten nicht mit der zeitlichen Abfolge überein.

Die Physiker wendeten dann Skalierungsmethoden der Magnetohydrodynamik an, um die Laborergebnisse auf astrophysikalische Situationen im frühen Kosmos zu übertragen. Intergalaktische Stoßwellen in protogalaktischen Strukturen, deren Krümmung sich auf der Skala von einem Megaparsec nur um wenige Promille ändert, produzieren – so das Ergebnis der Skalierung – Magnetfelder mit Stärken um 10^-21 Gauß. Das ist genau die Stärke, die für die Entstehung der in jungen Galaxien beobachteten Felder nötig ist.

Rainer Kayser

PH