Starthilfe für die Sternentstehung

Die Rolle von Magnetfeldern bei der Entstehung von Sternen wird seit Jahrzehnten unter Astrophysikern stark diskutiert. Jetzt hat Juan Diego Soler vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) gezeigt, dass Magnetfelder die Verdichtung von interstellarer Materie begünstigen und vorantreiben können – eine Vorbedingung für die Entstehung von Sternen. Diese Schlussfolgerung ergibt sich aus dem Befund, dass sich die interstellare Materie abhängig von ihrer Dichte mal parallel, mal eher senkrecht zu den Magnetfeldlinien ausrichtet.

Sterne entstehen aus verdichteten Wolken des interstellaren Mediums (ISM). Das ISM setzt sich aus Gas (meist Wasserstoff) und kleinsten Teilchen aus Kohlenstoff und Silikaten zusammen, kurz Staub genannt. Erreicht das ISM eine genügend hohe Dichte, führt die Eigen­gravitation zu einem Kollaps der anfänglich kalten Materie bis hin zu heißen Sternen. Wie sich solche Wolken jedoch bilden und verdichten, ist noch nicht völlig geklärt. Magnetfelder sind ein bedeutender Bestandteil des ISM in der Milchstraße und anderen Galaxien. Sie tragen wesentlich zum Gesamtdruck bei, der das ISM gegen die Schwerkraft stabilisiert. Dennoch ist ihre genaue Rolle im Prozess der Stern­entstehung Gegenstand lebhafter Diskussionen.

Um diesem Rätsel auf die Spur zu kommen, untersuchte Juan Diego Soler vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg die Ausrichtung von Magnetfeldern in Abhängigkeit von der Dichte­verteilung in den nahegelegensten Regionen der Stern­entstehung in Entfernungen von bis zu 1450 Lichtjahren von der Sonne. „Die Idee dabei ist, dass bei einem starken Einfluss auf das ISM, das Magnetfeld seine Dichte­strukturen formen sollte“, erläutert Soler.

Tatsächlich fand er in allen Fällen eine parallele Ausrichtung der Magnetfelder zur diffusen, also weniger dichten Komponente des ISM. Allerdings zeigte sich bei höheren Dichten des ISM eine allmähliche Verschiebung der Ausrichtung hin zu größeren Winkeln. In den dichtesten Zonen verlief das Magnetfeld sogar senkrecht zu den Strukturen des ISM.

Diese Ergebnisse bestätigen ein bestimmtes Szenario. Das teilweise ionisierte, diffuse ISM ist über den Elektro­magnetismus an das Magnetfeld gekoppelt und kann sich nur entlang der Feldlinien bewegen. Die elektrisch neutralen Anteile wie der Staub werden über Stöße mitgeführt. Deswegen erscheinen die weniger dichten Zonen entlang des Magnetfelds ausgerichtet. Die Turbulenz in den Wolken hilft dabei, dass sie sich entlang der Feldlinien zu Filamenten ausdehnen.

Durch äußere Einflüsse – wie sich ausdehnende Blasen infolge von Supernova­explosionen oder die Bewegung innerhalb eines Spiralarms der Milchstraße – angestoßen, bewegen sich verschiedene Wolken wie auf Förderbändern auf einander zu. Wenn sie aufeinandertreffen, bilden Sie eine sich ständig verdichtende Ansammlung von ISM, die nun eine Vorzugsrichtung eher senkrecht zu den Magnet­feldlinien aufweist. Das Förderband führt zusätzliches ISM heran und erhöht die Dichte, bis sie so hoch wird, dass die Wolke (oder Teile davon) unter ihrer Eigen­gravitation kollabiert. In dieser Phase ist das Magnetfeld nicht stark genug, um den Kollaps zu verhindern. Das Feld behält während des Kollapses seine Orientierung gegenüber dem Dichteverlauf bei und wird entsprechend verzerrt.

Soler untersucht den Zusammenhang zwischen Magnetfeldern und der Struktur von Stern­entstehungs­gebieten bereits seit einigen Jahren. Diesmal nutzte er für seine Analyse Daten der Planck-Himmelsdurchmusterung und dem „Herschel Gould Belt Survey“ (HGBS). Die Weltraumteleskope Planck und Herschel nahmen beide Mitte 2009 ihre Arbeit auf. Sie maßen die Strahlung des kalten ISM bei verschiedenen Wellenlängen.

Die Herschel-Daten sind besonders dafür geeignet, aus der Strahlung der Materie ihre Dichteverteilung mit hoher räumlicher Auflösung zu bestimmen. Aus den Planck-Daten ermittelte Juan Soler die Polarisation der Strahlung, die Rückschlüsse auf das Magnetfeld gibt. Die länglichen Staub­teilchen des ISM richten sich nach dem Magnetfeld aus und fungieren daher ähnlich wie Antennen. Die Schwingung der von ihnen ausgesandten Strahlung hat somit eine Vorzugs­richtung, ist also polarisiert. Dass das ISM teils polarisierte Strahlung aussendet, ist schon seit einigen Jahrzehnten bekannt. Allerdings war es bislang nicht möglich, die großräumige Ausrichtung zu den Strukturen im ISM zu quantifizieren.

Hierzu adaptiert Soler eine Technik, die in abgewandelter Form bei der Bilderkennung – etwa bei Internet-Bildersuchen oder dem Erstellen von Panorama­aufnahmen – verwendet wird. Diese basiert auf der mathematischen Berechnung von Gradienten, also der Stärke und der Richtung von Veränderungen, etwa der Helligkeiten in den Bildern. Die in den Planck- und Herschel-Daten verwendeten Gradienten betreffen das Magnetfeld und die Dichte­verteilung des ISM. So konnte Soler mit statistischen Methoden ableiten, unter welchen Bedingungen beide Komponenten eher parallel oder senkrecht zueinander orientiert sind.

„Die Polarisationsbeobachtungen des Planck-Satelliten haben beispiellose Details über die interstellaren Magnetfelder ergeben. Sie sind der Grundstein für unser zukünftiges Verständnis des magnetisierten ISM, das mit den kommenden Satelliten- und Ballonmissionen weiter verbessert werden wird“, bilanziert Soler.

MPIA / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. D. Soler: Using Herschel and Planck observations to delineate the role of magnetic fields in molecular cloud structure, Astron. Astrophys. 629, A96 (2019); DOI: 10.1051/0004-6361/201935779
• Juan Diego Soler am Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg
• Herschel Gould Belt Survey (HGBS)