Magnetfelder sind die unbesungenen Arbeitspferde der Astrophysik

Paul M. Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University und Chefwissenschaftler am COSI Science Center. Sutter ist auch Gastgeber von Ask a Spaceman und Space Radio und führt AstroTours auf der ganzen Welt. Sutter hat diesen Artikel zu ProfoundSpace.org's Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen.

Magnetfelder werden kurz geschrumpft. Niemand beachtet sie. Stattdessen konzentriert sich jeder auf Schwarze Löcher, kollidierende Galaxien, den Urknall. Das Übliche. Keine armen kleinen Magnetfelder, die wie Spinnenseide durch und zwischen den Galaxien hindurchgefädelt sind, nichts schieben, nichts antreiben, nichts antreiben. Sie sind einfach ... sind. Sie sind ruhig und selbstgefällig.

Außer sie sind es nicht. [Beste Astronomie und Astrophysik Bücher]

Die Kraft des Magnetismus

In Wirklichkeit sind Magnetfelder die robusten unbesungenen Arbeitspferde der Astrophysik. Es ist wahr, dass sie die meiste Zeit nur "Follow-the-Leader" spielen, verbunden mit den Plasmen, aus denen sie geboren sind. Aber gelegentlich können sie sich zusammenschließen und zum dominanten Spieler im Physikspiel werden und ihre aufgestauten Energien in spektakulären Darstellungen wie koronalen Massenauswurf und aktiven galaktischen Kernen freisetzen.

Es ist keine Überraschung, dass unser Universum mit Magnetfeldern wimmelt. Fast die gesamte normale Materie unseres Kosmos existiert in Form von Plasma, einem hochenergetischen Materiezustand, in dem die Elektronen von ihren Wirtskernen getrennt sind. Nur selten kühlen und kondensieren die Materialien genug, um neutrale Atome zu bilden.

Wo Plasmen sind, sind geladene Teilchen, die herumfliegen. Und wo geladene Teilchen herumzischen, gibt es Magnetfelder. Wir sehen also Magnetfelder, die unseren eigenen Planeten und die Sonne, das Sonnensystem, ferne Nebel und sogar die Galaxie selbst durchziehen.

Wir sehen sie sogar Millionen von Lichtjahren darüber hinaus und bilden ein verschlungenes Netz zwischen den Galaxien.

Warte eine Minute; warten Sie mal. Wie bekommen Sie große Magnetfelder - und ich meine, falls ich nicht klar genug bin, körperlich groß diejenigen - ausgeblasen zu diesen gewaltigen Skalen?

Ein Wirrwarr

Wir sehen Magnetfelder auf den größten Skalen des Universums. Sie sind sehr schwach, nicht mehr als eine Million Mal schwächer als das Magnetfeld der Erde, aber sie dehnen und strecken und strecken sich. Wir finden sie sogar in Galaxienhaufen, den größten gravitativ gebundenen Strukturen im Kosmos, Agglomerationen von tausend Galaxien und zusammen mindestens hundert Billionen Sonnenmassen von Sternen, Gas und dunkler Materie. Diese Cluster sind in der Tat groß und beherbergen Magnetfelder, die für ihren Schwergewichtsstatus geeignet sind. [Watch: Auf der Suche nach Magnetismus im Universum]

Galaxienhaufen sind besonders faszinierend. Zum einen füllen sie das Volumen ihres Host-Clusters vollständig aus. Für diejenigen, die Punkte sammeln, sind das ungefähr 10 ^ 20 kubische Lichtjahre von fast leerem Raum. Trotz ihrer riesigen Größe sind diese enormen Magnetfelder nicht perfekt glatt. Sie sind verstrickt und im Ausmaß von Zehntausenden von Lichtjahren gebogen. Das heißt, wenn Sie einen ausreichend empfindlichen Kompass hätten, könnten Sie einer einzelnen Magnetfeldlinie etwa in der Breite einer Galaxie folgen, bevor sie in eine neue Richtung abzweigt.

Noch seltsamer ist, dass diese Magnetfelder anscheinend nicht mit bestimmten Galaxien in den Clustern assoziiert sind. Während wir sehen, dass Galaxien selbst ihre eigenen magnetischen Felder beherbergen, scheinen sie nicht mit den frei schwebenden extragalaktischen verbunden zu sein.

Früh anfangen

Also, nochmal, was ist los? Für (wörtlich) große Probleme in der Astronomie gibt es zwei allgemeine Erklärungswege. Kurs Nr. 1 ist wie folgt. Vielleicht sind die Felder kosmologischen Ursprungs. Vielleicht während der heißen und verschwitzten frühen Tage des Universums, in den ersten paar Minuten als exotische Kräfte und Felder wetteiferten um Konkurrenz im kindlichen Kosmos, ein eigentümlicher Prozess (zum Beispiel ein Phasenübergang als eine Kraft von einer anderen abbrach, als das Universum sich abkühlte down) könnte das Universum mit Magnetismus überschwemmt haben.

Dieser Magnetismus hätte dann einfach ... herumgehangen und sich an die ganze Materie gebunden, während sie sich über Milliarden von Jahren zur Bildung des kosmischen Netzes - und der Galaxienhaufen - kondensierte, die wir heute sehen.

Das klingt gut! Außer dass wir wissen, wie das frühe Universum aussah. Wir haben sein Babybild, den kosmischen Mikrowellenhintergrund. Und wir wissen, wie starke Magnetfelder die Unebenheiten und Wackeln in diesem Muster beeinflusst haben. Außerdem wissen wir, wie Magnetfelder dieses Licht auf seiner 13,8 Milliarden Jahre langen Reise zu unseren Detektoren weiter verformt haben. Und beide verweisen auf ein junges Universum mit schwachen oder gar keinen Magnetfeldern.

In der Dunkelheit aufwachsen

Anstatt sich für eine kosmologische Erklärung zu entscheiden, neigen Astrophysiker dazu, eine - darauf wartende - astrophysikalische Erklärung zu bevorzugen. In diesem Szenario gibt es keinen seltsamen Hokuspokus, der das Babyuniversum mit magnetischer Energie überschwemmt. Stattdessen fangen magnetische Felder klein an und wachsen zusammen mit allen anderen auf.

Der erste Schritt ist die Magnetisierung einer unmagnetisierten Tasche des Universums. Das ist überraschend einfach. Wenn Sie beispielsweise ein Plasma haben, das von einer Schockwelle getroffen wird, können sich die Elektronen von den Ionen trennen und einen Strom und damit ein Magnetfeld erzeugen.

Groß! Schade, dass das "Saatfeld" unglaublich schwach ist - mindestens eine Billion Mal schwächer als das, was wir beobachten.

Was macht schwache Magnetfelder zu starken? Dynamos! Das Phänomen, das starke Magnetfelder erzeugt, kommt überall vor - im Kern der Erde, umgeben supermassive Schwarze Löcher. Die schnelle, komplizierte Rotation einer Plasmascheibe kann Magnetfelder in eine Raserei versetzen und Gravitations- oder Rotationsenergie in reinen Magnetismus umwandeln.

Groß! Schade, diese Dynamos sind sehr klein. Sie operieren nicht einmal typischerweise über eine ganze Galaxie hinweg. So können wir leicht starke Magnetfelder im Universum bilden, aber wie werden sie aus ihren Wirtsgalaxien geblasen und ausgedehnt, um so große Räume zu füllen?

Die Antwort könnte in den Dynamos selbst liegen, besonders in denen, die um supermassereiche Schwarze Löcher herum liegen. Diese monströsen Triebwerke treiben aktive galaktische Kerne an. Wir sehen die intensive Strahlung, die von diesen Objekten wegstrahlt, und wir wissen, dass diese Jets hochgradig magnetisiert sind. Reicht es aus, um das enorme Volumen an Galaxienhaufen vollständig zu füllen?

Ehrlich gesagt, wissen wir nicht, und wir wissen nicht einmal, ob dieser "Bottom-Up" -Ansatz zur Magnetisierung des Kosmos auf dem richtigen Weg ist. Es wird mehr Daten benötigen - insbesondere von Beobachtungen des größeren Universums außerhalb der Cluster in Strukturen, die Filamente, Wände und Hohlräume genannt werden - um ein klareres Bild zu erhalten. Aber egal, wie sie dort hingekommen sind, diese gigantischen Magnetfelder sollen hier bleiben.

Erfahren Sie mehr durch Hören der Episode "Woher kommen riesige Magnetfelder?" im Ask A Spaceman Podcast, erhältlich bei iTunes und im Internet unter askaspaceman.com. Danke an Chris N. und Pete E. für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder indem Sie Paul @ PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter folgen. Folge uns @Spacedotcom, Facebook und Google+. Originalartikel auf ProfoundSpace.org.