Jets sind magnetisch!

Neue Simulationen bestätigen die Theorie, wonach astrophysikalische Jets durch Magnetfelder entstehen. Die Rechnungen decken einen längeren Bereich als je zuvor ab. Sie zeigen, wie sich durch magnetische Instabilitäten Strukturen bilden, die eine große Ähnlichkeit zu Beobachtungen von protostellaren Jets aufweisen.

Abb. 1: Magnetfeldlinien in einem Jet. Die schraubenförmige Aufwicklung des Feldes ist sowohl verantwortlich für die Beschleunigung des Gases als auch für die Instabilität des Jets. Im oberen Bereich sind Instabilitäten in Form von knickartigen Verformungen erkennbar. Das rechte Bild zeigt den unteren Bereich in vergrößerter Darstellung. Hier ist die Feldlinienstruktur noch geordnet.

Abb. 2: Diese Darstellung zeigt, wie ein simulierter Jet in Beobachtungen aussehen könnte. Gebiete mit hoher Temperatur und starkem Magnetfeld sind hell gezeichnet, hier wird bei echten Jets besonders viel Licht abgestrahlt. (linkPfeil.gifFilm: zeitliche Entwicklung.)

Strahlenförmige Ausflüsse von heißem Gas, im Fachjargon Jets genannt, kommen im Universum sehr häufig vor. Ein bekanntes Beispiel findet sich in sogenannten "aktiven" Galaxien, in deren Kernregion sich solche Jets bilden und schließlich enorme Distanzen zurücklegen. Die Länge des Jets kann dabei das milliardenfache der Größe der Kernregion betragen, in welcher er entsteht. Die Kernregion selbst besteht dabei aus einem supermassiven Schwarzen Loch, das über eine sogenannte Akkretionsscheibe Materie aufsaugt und dabei noch schwerer wird. Eine ähnliche Situation findet sich in Protosternen, wo aus einer Wasserstoffwolke ein Stern erwächst, mit dem Unterschied dass das zentrale Objekt nicht ein Schwarzes Loch sondern der werdende Stern ist. Jets aus solchen Objekten überbrücken ebenfalls enorme Distanzen von etwa der millionenfachen Entfernung zwischen Erde und Sonne. Schließlich gibt es noch Jets, die nicht direkt beobachtet werden können, die aber mit der Erzeugung von kurzzeitigen, explosionsartigen Strahlungsausbrüchen, sogenannten Gammastrahlenblitzen, in Verbindung stehen. Auch hinter diesen Ereignissen steht vermutlich ein Schwarzes Loch mit einer Akkretionsscheibe, das im Kern eines supermassiven, rasch rotierenden Sterns am Ende seiner Lebenszeit entsteht.

Eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von Jets spielen vermutlich Magnetfelder, die in dem sich drehenden zentralen Objekt (z.B. der oben erwähnten Akkretionsscheibe) verankert sind. Durch die Drehung wird das Magnetfeld schraubenförmig verdrillt, was zu einer Kraft führt, die die Materie innerhalb des Jets beschleunigt. Allerdings sind solche Jets potentiell instabil: kleine "Knicke" im Jet neigen dazu, mit der Zeit größer zu werden. Dies kann sogar so weit gehen, dass der Jet zerstört wird. Das prinzipiell selbe Problem tritt übrigens auch in Kernfusionsexperimenten auf.

Mit den neuen Rechnungen ist es nun gelungen, magnetisch beschleunigte Jets in Simulationen nachzubilden und deren Entwicklung bis zu einer großen Entfernung von der Quelle zu verfolgen. Es stellte sich heraus, dass Jets durch Instabilitäten nicht zwangsläufig zerstört werden. Vielmehr entstehen schlangenförmige Strukturen, die auch in Beobachtungen von echten Jets gefunden werden. Das Magnetfeld wird teilweise dissipiert, d.h. es wird "vernichtet" und die in ihm steckende Energie wird in Wärme umgewandelt. Die betreffenden Stellen würden in Beobachtungen als helle Knoten sichtbar sein.

Die Rechnungen haben gezeigt, dass Jet-Simulationen große Entfernungen abdecken müssen um realistisch zu sein, was sie entsprechend aufwendig macht. Hier gibt es angesichts der ständig wachsenden Computerleistung auch in Zukunft noch viel Raum für Fortschritte.


Rainer Moll


Weitere Informationen:

R. Moll, H. C. Spruit & M. Obergaulinger, "Kink instabilities in jets from rotating magnetic fields", in Astronomy & Astrophysics, volume 492, pp. 621--630