Die Entstehung von Magnetfeldern um frühe Galaxien und ihr Einfluss auf die Galaxienentstehung

1. Mai 2021

Magnetfelder sind heute im Universum allgegenwärtig, von Sternen bis hin zu Galaxienhaufen. Ihr Ursprung bleibt jedoch ein Rätsel. MPA-Forscher haben nun verschiedene Mechanismen, die für die Magnetogenese - also wie Magnetfelder entstehen könnten – vorgeschlagen wurden, in Galaxien mit hoher Rotverschiebung sehr detailliert simuliert. Sie verfolgten auch den Einfluss dieser Magnetfelder auf die Entstehung und Entwicklung von Galaxien und liefern so eine wichtige Orientierung für zukünftige Beobachtungen sowie weitere Simulationen. Diese Studie zeigt, dass frühe Galaxien der Schlüssel zum Verständnis des Ursprungs kosmischer Magnetfelder sein könnten. Sie liefert auch die erste Untersuchung eines neuartigen Mechanismus für die Magnetogenese auf galaktischen Skalen.

Magnetfelder findet man in den meisten kosmischen Strukturen im nahen Universum, von einzelnen Sternen bis hin zu ganzen Galaxien und Galaxienhaufen. Diese Felder sind oft so stark, dass sie eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Materie in diesen Strukturen spielen. Gleichzeitig zeigt die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung, dass Magnetfelder beim Ursprung des Universums – wenn sie überhaupt existierten – extrem schwach waren.

Es gibt viele physikalische Mechanismen, die im Laufe der Entwicklung von Galaxien winzige Magnetfelder erzeugen können. Die chaotische Bewegung von Gas im Inneren von Galaxien kann diese Felder dann verstärken, bis sie die heute beobachtete Stärke erreichen. Was ist die wichtigste Quelle von Magnetfeldern für die Entwicklung des Universums? Und wirken sich verschiedene Magnetogenese-Mechanismen in gleicher Weise auf die Entwicklung von Galaxien aus? Können wir anhand von Galaxien etwas über den Ursprung der kosmischen Magnetfelder lernen?

Diese Fragen haben ein kleines Team von MPA-Forschern dazu veranlasst, eine Reihe von anspruchsvollen numerischen Simulationen durchzuführen, die verschiedene Rezepte für die Erzeugung der anfänglichen Magnetfelder einsetzen: Reste von Feldern, die vom Urknall übrigblieben, von Supernova-Explosionen erzeugte Felder oder plasmaphysikalische Prozesse (einschließlich einer neuen Art von „Magnetbatterie“, die nie zuvor auf diesen Skalen untersucht wurde). Die Wissenschaftler untersuchten die Magnetfelder mit zwei Arten von Simulationen. Die erste folgt der Entwicklung eines großen Ausschnitts des Universums und ermöglicht es den Forschern, die Entstehung und Entwicklung von Magnetfeldern in und um eine große Anzahl von kosmischen Strukturen zu untersuchen (siehe Animation). Die zweite Art der Simulation konzentriert sich auf eine einzelne simulierte Galaxie und erreicht dort eine hohe Genauigkeit, so dass die Wissenschaftler die Details der physikalischen Prozesse innerhalb der Galaxie studieren können.

Der Einfluss früher Magnetfelder

Entwicklung der kosmischen Gasdichte (oben links), der magnetischen Feldstärke (oben rechts), des Anteils an Metallen (unten links) und der Temperatur (unten rechts) in einem Schnitt durch eine kosmologische Simulation. Für jede Eigenschaft sind vier unterschiedliche Entwicklungen dargestellt, wobei jeder Quadrant die Ergebnisse eines anderen magnetischen Modells zeigt, mit dem die Magnetfelder erzeugt wurden. Während die Gasdichte, der Metallanteil und die Temperatur in allen Modellen sehr ähnlich sind, ändern sich die Eigenschaften der Magnetfelder für verschiedene Magnetogenese-Prozesse drastisch.

Die Simulationen zeigen, dass das Magnetfeld im Zentrum einer Galaxie heute jedwede Erinnerung an seinen Ursprung verloren hat. Dies kann aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten in der Vergangenheit geschehen sein, abhängig von dem genauen physikalischen Prozess, der das ursprüngliche Magnetfeld erzeugt hat (siehe Abb.). Dies eröffnet die Möglichkeit, anhand von Galaxien bei hoher Rotverschiebung zu verstehen, welche Prozesse der Magnetogenese im Universum dominant sind.

Entwicklung der mittleren Magnetfeldstärke innerhalb eines bestimmten Radius (oben: 1 kpc, mitte: 10 kpc, unten: 100 kpc) einer simulierten Galaxie. Jede Linie zeigt die Ergebnisse für ein anderes magnetisches Modell, mit dem die Magnetfelder erzeugt wurden. Heute (rechte Seite der Grafik) ist die Stärke für alle Modelle gleich, aber dieser Wert wird von jedem Modell zu unterschiedlichen Zeiten erreicht.

Die Forscher nutzten die Simulationen auch, um zu untersuchen, wo im Universum es Hinweise auf den Ursprung kosmischer Magnetfelder geben könnte. Sie entdeckten, dass das diffuse und gleichmäßig verteilte Gas, das den Raum zwischen Galaxien füllt (das intergalaktische Medium, oder IGM), eine Erinnerung an die ursprüngliche Stärke seines Magnetfeldes beibehält. Das IGM kann daher entscheidende Informationen über den Ursprung des kosmischen Magnetfeldes liefern.

Schließlich simuliert diese Studie zum ersten Mal innerhalb eines realistischen Galaxienentwicklungsmodells eine neue magnetische Batterie, die an den ionisierenden Strahlungsfronten um die ersten Galaxien herum im Spiel ist. Die Forscher konnten zeigen, dass diese Batterie ein möglicher Mechanismus zur Erzeugung kosmischer Magnetfelder ist, auch wenn diese im Allgemeinen viel schwächer sind als Magnetfelder, die durch andere physikalische Prozesse entstehen.

Diese neue umfassende Studie ebnet nicht nur den Weg zu gezielteren Beobachtungen von Magnetfeldern, sondern zeigt auch die entscheidende Rolle, die das diffuse IGM und Galaxien bei hoher Rotverschiebung spielen könnten, um unser Verständnis von kosmischen Magnetfeldern voranzutreiben.

 

Beteiligte Wissenschaftler: Enrico Garaldi (MPA), Rüdiger Pakmor (MPA), Volker Springel (MPA)

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