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STERNE
Magnetfelder regeln Sternentstehung
von Hans Zekl
für astronews.com
11. August 2006

Unser Sonnensystem entstand aus einer Gas- und Molekülwolke, die sich unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenzog. Mit den Details allerdings haben Wissenschaftler ziemliche Probleme. Jüngste Beobachtungen spanischer und amerikanischer Astronomen an einem System junger Sterne geben nun den Theoretikern neue Hinweise, welche Prozesse die Sternentstehung beeinflussen.

NGC 1333

Spitzer-Aufnahme von NGC 1333. Bild: NASA / JPL-Caltech /R. A. Gutermuth (Harvard-Smithsonian CfA)

Die Bildung neuer Sterne ist trotz jahrzehntelanger Forschung immer noch eines der offenen und drängenden Probleme in der Astrophysik. Schon lange ist klar, dass interstellare Wolken aus Gas und Staub, Molekülwolken, das Baumaterial für Sterne und Planetensysteme liefern. Erreicht eine Wolke eine kritische Dichte, beginnt sie sich aufgrund der eigenen Schwerkraft mit wachsender Geschwindigkeit zusammenzuziehen. Lokale Verdichtungen führen schließlich zur Bildung neuer Sterne und von Sonnensystemen.

Doch trotzt bedeutender Fortschritte in den letzten Jahren, sind wichtige Fragen immer noch ungeklärt. So ist unklar, ob die Wolken tatsächlich immer schneller kollabieren oder ob es einen Mechanismus gibt, der dem Prozess Widerstand leistet.

Im Standardmodell für massearme Sterne wie unsere Sonne sorgen interstellare Magnetfelder innerhalb der Molekülwolken dafür, dass sie sich langsamer zusammenziehen. Ursache dafür sind elektrisch geladene Staubteilchen und Gasmoleküle, die ein Magnetfeld quasi in der Wolke einfrieren. Die Ionen können sich nur entlang der Magnetfeldlinien bewegen, senkrecht dazu nicht. Deshalb bildet sich eine Scheibe aus, die senkrecht zur allgemeinen Ausrichtung des Magnetfelds liegt. Erhöht sich nun die Dichte, beispielsweise durch eine nahe gelegen Supernovaexplosion, nimmt die Stärke des Magnetfeld entsprechend der anwachsenden Materiedichte zu. Dadurch wird der Kollaps einer Wolke verhindert, obwohl genügend Masse vorhanden ist.

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Gäbe es keine anderen Einflüsse, würden keine Sterne entstehen. Aber der größte Teil einer geeigneten interstellaren Wolke ist elektrisch neutral. Auf die Bewegungen dieser Materieteilchen hat ein Magnetfeld keinen Einfluss! Diese Wolkenkomponente unterliegt somit der Schwerkraft und kann neue Sterne erzeugen. Doch ganz so einfach funktioniert das dann doch nicht.

Auf ihrem Weg zum zentralen, dichtesten Bereich einer Wolke stoßen die neutralen Teilchen mit den ionisierten Partikeln zusammen und werden dadurch abgebremst. Im Endeffekt existiert eine Molekülwolke länger, als wenn sie nur der Wirkung der Gravitation unterliegt. Durch die Kollisionen mit neutralen Molekülen oder Staubteilchen gelangen mit der Zeit auch elektrische Teilchen weiter ins Innere der Wolke und pressen dort das Magnetfeld zusammen, so dass seine Form einem Stundenglas ähnelt.

Es gibt allerdings noch eine alternative Ansicht über die Vorgänge bei der Sternentstehung: In diesem Gegenmodell sind Magnetfelder zu schwach, um eine Rolle zu spielen. Die Wolken stürzen in relativ kurzer Zeit zusammen. Turbulente Strömungen im Überschallbereich führen zu vielen kleinen lokalen Verdichtungen. Nur ein kleiner Teil der Wolkenmasse wird am Ende in Sterne umgewandelt.

Aus der Beobachtung, wie viele Sterne jährlich in der Milchstraße entstehen - etwa eine Sonnenmasse pro Jahr - kann leider nicht zwischen den beiden Modellen unterscheiden werden, weil sie zu gleichen Sternentstehungsraten führen. Doch hat die Natur für ein anderes Unterscheidungsmerkmal gesorgt. Das haben Josep M. Girart vom Institut de Ciències de l'Espai in Bellaterra, Spanien, und seine Kollegen ausgenutzt. In turbulenten Wolken ist auch ein Magnetfeld relativ ungeordnet, während in langsam kollabierenden die Magnetfeldlinien in etwa parallel ausgerichtet sind. Das hat Auswirkungen auf die ausgesendete Strahlung. Magnetische Staubteilchen richten nämlich ihre kurze Achse parallel zu den Magnetfeldlinien aus.

Senkrecht dazu erscheinen die Teilchen deshalb größer und geben in diese Richtung auch mehr Strahlung ab. Die Strahlung, die hier auf der Erde empfangen wird, ist deshalb polarisiert, d.h. sie schwingt bevorzugt in einer bestimmten Richtung. Die Wellen einer Glühbirne beispielsweise schwingen dagegen in beliebigen Richtungen.

Girart und seine Kollegen untersuchten die Strahlung der Molekülwolke um das System NGC 1333 IRAS 4A im Molekülwolkenkomplex im Sternbild Perseus. Der Komplex ist etwa 1.000 Lichtjahre entfernt und enthält rund 20 junge, sternförmige Objekte im Umkreis von 40.000 Astronomischen Einheiten (eine Astronomische Einheit ist die mittlere Entfernung der Erde von der Sonne, also 149,6 Millionen Kilometer) um IRAS 4A. Wie sie in der jüngsten Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science berichten, konnten sie mit dem Submillimeter Array auf dem Mauna Kea, Hawaii, mit guter Auflösung die Polarisation der Strahlung bei 345 GHz messen.

Danach ist das Magnetfeld deutlich geordnet und zeigt eine Struktur, ähnlich einem Stundenglas, genau wie es vom Standardmodell vorhergesagt wird. Die Daten zeigen auch, dass das Magnetfeld fast die Schwerkraft aufheben kann, aber nur fast. So zieht sich die Wolke nur sehr langsam zusammen, ohne dass es zu besonderen Turbulenzen kommen kann. Zumindest bei diesem System - IRAS 4A - wird die Sternbildung vom Magnetfeld reguliert. Aber die Daten liefern auch wichtige Informationen darüber, wie unser eigenes Sonnensystem einst entstanden ist.

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