Wir haben viele Bereiche im Kosmos kennen gelernt, in denen Magnetfelder vorkommen. Immer waren Dynamoprozesse verantwortlich: Ein Strom geladener Teilchen (ein elektrischer Strom) und ein vorhandenes ursprüngliches Magnetfeld verstärken sich gegenseitig.
Aber irgendwo muss das "ursprüngliche" Magnetfeld herkommen...
Solche ursprünglichen Felder nennt man Saatfelder, denn sie ermöglichen die Verstärkung durch Dynamoprozesse.
Damit dies in Galaxien passiert, müssen die Saatfelder etwa 30 000 Lichtjahre umfassen und mindestens 10^(-26) Tesla stark sein. Sollten solche Saatfelder beim Urknall vorhanden sein, so erreichen sie durch die inflationäre Ausdehnung sicher die richtige Mindestgröße, müssten aber zu Beginn gigantisch groß sein um nach der Inflation noch ausreichend stark zu sein.
Es gibt aber noch eine andere Möglichkeit, die "Biermann-Batterie"!
Wie funktioniert eine Biermann-Batterie (erfunden von Ludwig Biermann, 1950)?
Zuerst: Wir brauchen kein magn. Saatfeld sondern nur getrennte elektrische Ladungen, z.B. Elektronen und Ionen. Die lagen etwa 150 Millionen Jahre nach dem Urknall durch die UV-Strahlung der ersten Sterne vor.
In diesem Plasma gab es Dichtevariationen und Temperaturunterschiede. Dadurch können Verwirbelungen entstehen, die dazu führen, dass die Richtung der Temperaturänderung (und damit des Gasdrucks) nicht mir der Richtung der Dichteänderung übereinstimmt.
Das ist die Voraussetzung für das Funktionieren der Biermann-Batterie: Elektronen bewegen sich in eine andere Richtung als die Ionen und es bilden sich die ersten Magnetfelder ohne Saatfelder und ohne Dynamoprozess.
Makroskopisch sind das gekrümmte Schockfronten, in denen Druck- und Dichteänderungen in verschiedene Richtungen gehen, d.h. nicht parallel zueinander sind.
(Für Fachleute: Im Induktionsgesetz taucht dann als zusätzlicher Summand auf der rechten Seite noch das Kreuzprodukt aus Druck- und Dichtegradient auf, ein Term ohne Magnetfeld B. Es entstehen also Induktionsspannungen ohne schon vorhandene Magnetfelder: dB/dt = 1/(e*n)*gradT * grad n, wobei n die Anzahldichte der Elektronen ist)).
Da das Plasmagas nach dem Urknall extrem leitfähig ist, sind diese durch den Biermann-Batterie-Prozess erzeugten Ur-Magnetfleder im Plasma "eingefroren", d.h. sie werden vom Plasma mitgeführt, können verstärkt und verändert werden. Sie stehen dann als Saatfelder in Dynamoprozessen zur Verfügung.
Zum Bild:
Links eine von einem Laser erzeugte Stoßwelle (je heller, desto höher Temperatur und Dichte), rechts Simulation einer kollabierenden Stoßwelle im frühen Universum vor der Galaxienbildung
Bild Credit: LULI / University of Oxford; ETH Zürich
Ende der Reihe über Magnetfelder
Aber irgendwo muss das "ursprüngliche" Magnetfeld herkommen...
Solche ursprünglichen Felder nennt man Saatfelder, denn sie ermöglichen die Verstärkung durch Dynamoprozesse.
Damit dies in Galaxien passiert, müssen die Saatfelder etwa 30 000 Lichtjahre umfassen und mindestens 10^(-26) Tesla stark sein. Sollten solche Saatfelder beim Urknall vorhanden sein, so erreichen sie durch die inflationäre Ausdehnung sicher die richtige Mindestgröße, müssten aber zu Beginn gigantisch groß sein um nach der Inflation noch ausreichend stark zu sein.
Es gibt aber noch eine andere Möglichkeit, die "Biermann-Batterie"!
Wie funktioniert eine Biermann-Batterie (erfunden von Ludwig Biermann, 1950)?
Zuerst: Wir brauchen kein magn. Saatfeld sondern nur getrennte elektrische Ladungen, z.B. Elektronen und Ionen. Die lagen etwa 150 Millionen Jahre nach dem Urknall durch die UV-Strahlung der ersten Sterne vor.
In diesem Plasma gab es Dichtevariationen und Temperaturunterschiede. Dadurch können Verwirbelungen entstehen, die dazu führen, dass die Richtung der Temperaturänderung (und damit des Gasdrucks) nicht mir der Richtung der Dichteänderung übereinstimmt.
Das ist die Voraussetzung für das Funktionieren der Biermann-Batterie: Elektronen bewegen sich in eine andere Richtung als die Ionen und es bilden sich die ersten Magnetfelder ohne Saatfelder und ohne Dynamoprozess.
Makroskopisch sind das gekrümmte Schockfronten, in denen Druck- und Dichteänderungen in verschiedene Richtungen gehen, d.h. nicht parallel zueinander sind.
(Für Fachleute: Im Induktionsgesetz taucht dann als zusätzlicher Summand auf der rechten Seite noch das Kreuzprodukt aus Druck- und Dichtegradient auf, ein Term ohne Magnetfeld B. Es entstehen also Induktionsspannungen ohne schon vorhandene Magnetfelder: dB/dt = 1/(e*n)*gradT * grad n, wobei n die Anzahldichte der Elektronen ist)).
Da das Plasmagas nach dem Urknall extrem leitfähig ist, sind diese durch den Biermann-Batterie-Prozess erzeugten Ur-Magnetfleder im Plasma "eingefroren", d.h. sie werden vom Plasma mitgeführt, können verstärkt und verändert werden. Sie stehen dann als Saatfelder in Dynamoprozessen zur Verfügung.
Zum Bild:
Links eine von einem Laser erzeugte Stoßwelle (je heller, desto höher Temperatur und Dichte), rechts Simulation einer kollabierenden Stoßwelle im frühen Universum vor der Galaxienbildung
Bild Credit: LULI / University of Oxford; ETH Zürich
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