Magnetfelder sind überall im Universum – Planeten, Sterne, ganze Galaxien – und sie sind überraschend gut organisiert für etwas, das eigentlich ein chaotisches Durcheinander sein sollte. Jahrzehntelang haben sich Wissenschaftler den Kopf darüber zerbrochen, wie Unordnung im Weltraum eine derart großräumige Ordnung hervorbringen kann. Nun glauben Forscher der University of Wisconsin-Madison, das fehlende Puzzlestück gefunden zu haben, und es erfordert eine wahrhaft massive Rechenarbeit.

In einer neuen Studie, veröffentlicht in Nature, führte das Team Supercomputersimulationen durch, die so detailliert waren, dass sie 137 Milliarden Gitterpunkte im 3D-Raum verwendeten. Das ist kein Tippfehler. Die Simulationen, die 0,25 Petabyte an Daten erzeugten und fast 100 Millionen CPU-Stunden auf dem Anvil-Supercomputer der Purdue University verbrauchten, konzentrierten sich darauf, wie turbulente Plasmaflüsse spontan organisierte strahlartige Strukturen entwickeln können – und dadurch große Magnetfelder erzeugen.

„Magnetfelder im Kosmos sind großräumig und geordnet, aber unser Verständnis davon, wie diese Felder erzeugt werden, besagt, dass sie aus einer Art turbulenter Bewegung stammen“, sagte Studienleiter Bindesh Tripathi, ehemaliger Physik-Doktorand in Wisconsin, jetzt an der Columbia University. „Da Turbulenz bekanntermaßen eine zerstörerische Kraft ist, bleibt die Frage: Wie schafft sie ein konstruktives, großräumiges Feld?“

Der Schlüssel, so das Team, war das Hinzufügen eines ständig erneuerten Geschwindigkeitsgradienten – im Grunde verschiedene Teile eines Systems, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, wie ein Radfahrer, der gegen einen Bordstein fährt, während das Fahrrad stoppt, der Fahrer aber weiterfliegt. Dasselbe passiert im Inneren der Sonne und bei Neutronensternverschmelzungen. Als die Forscher Simulationen ohne diesen stetigen großräumigen Gradienten durchführten, bildeten sich die organisierten magnetischen Strukturen nie. Chaos herrschte. Mit dem Gradienten? Ordnung entstand.

„Das ist also wirklich der Hauptschlüssel: einen stetigen, großräumigen Geschwindigkeitsgradienten zu haben“, betonte Tripathi.

Das ist nicht nur akademische Selbstbespiegelung. Die Erkenntnisse könnten helfen, alles von der Entstehung Schwarzer Löcher über Neutronensternverschmelzungen bis hin zu der Frage zu erklären, warum Sonnenstürme manchmal direkt auf die Erde zusteuern. Und sie könnten endlich ein 70 Jahre altes Rätsel um magnetische Dynamos lösen – die Prozesse, die Magnetfelder erzeugen – die sich hartnäckig geweigert haben, die großen, geordneten Strukturen zu produzieren, die Astronomen tatsächlich beobachten.

„Die Erzeugung von Magnetfeldern durch Dynamos wird seit 70 Jahren intensiv untersucht, mit dem frustrierenden Ergebnis, dass die erzeugten Felder fast immer auf kleinen Skalen und stark ungeordnet enden, anders als die Beobachtungen“, sagte Paul Terry, Physikprofessor in Wisconsin und leitender Autor. „Diese Arbeit löst daher potenziell ein langjähriges Problem.“

Auch wenn wir das nicht direkt in fernen kosmischen Umgebungen testen können, ergeben frühere Laborexperimente von 2012 am Wisconsin Plasma Physics Laboratory – die bestehende Theorien verblüfften – jetzt viel mehr Sinn. Also, Glückwunsch an den Supercomputer: Du hast den Weltraum-Magnetismus endlich ein kleines bisschen weniger mysteriös gemacht.