Das interstellare Medium im Supercomputer

Wie verhalten sich Teilchenströme, Magnetfelder und Energien im interstellaren Medium – dem Raum zwischen den Sternen? Bisher konnten Modelle dies nur begrenzt rekonstruieren, weil insbesondere die Wechselwirkungen von Magnetfeldern und Strömungen in dieser kosmischen Umgebung extrem komplex sind. Jetzt ist es Astrophysikern mithilfe eines Supercomputers in Deutschland erstmals gelungen, diese magnetisierten Turbulenzen im interstellaren Medium in einer magnethydrodynamischen Simulation nachzuvollziehen – und dies in hoher Auflösung. Dank dieser Simulation können Forschende nun diese galaktischen, interstellaren Prozesse mit hohem Präzisionsgrad und auf verschiedenen Skalen untersuchen. Erste Analysen zeigen dabei bereits interessante Abweichungen von gängigen Modellen und Theorien.

Das interstellare Medium der Milchstraße und anderer Galaxien spielt eine entscheidende Rolle für viele galaktische und kosmische Prozesse – von der Sternbildung über die kosmische Strahlung bis zur Verteilung von Plasma, Gasen und Elementen. Doch das Verhalten dieses Mediums ist bisher erst in Teilen erforscht. Einer der Gründe dafür: Obwohl im interstellaren Medium nur eine geringe Teilchendichte herrscht, erzeugen die Bewegungen dieser größtenteils geladenen Teilchen ein Magnetfeld. Dieses wird wiederum durch die Turbulenzen des interstellaren Mediums beeinflusst und wirkt seinerseits auf die turbulenten Strömungen. „Diese Kopplung zwischen Turbulenz und Magnetfeldern spielt eine wichtige, vielfältige Rolle“, erklären James Beattie von der Princeton University und seine Kollegen. „Das Vorhandensein von Magnetfeldern verändert die Natur der turbulenten Strömungen grundlegend.“

Kaskadierende Wechselwirkungen und ein Supercomputer

Doch die Physik und Dynamik dieser magnetisierten Turbulenzen ist bisher schwer zu erfassen. „Turbulenzen bleiben eines der größten ungelösten Probleme in der klassischen Mechanik“, sagt Beattie. „Dies, obwohl Turbulenzen allgegenwärtig sind: von wirbelnder Milch in unserem Kaffee über chaotische Strömungen in den Ozeanen bis hin zu Sonnenwind, interstellarem Medium und dem Plasma zwischen Galaxien.“ Die meisten bisher existierenden Theorien und hochaufgelösten Modelle beschreiben nur die Natur von magnetisierten Turbulenzen in nicht-komprimierbaren, unterschallschnellen Plasmen und meist mit einem einheitlichen Hintergrund-Magnetfeld. „Das aber schränkt ihre Anwendung auf die komprimierbaren, von einem Dynamo angetriebenen Turbulenzen des interstellaren Mediums ein“, erklären die Physiker Dieses ist gängiger Annahme nach von einer ganzen Kaskade von turbulenten Strömungen verschiedener Größenordnungen und Energien geprägt. Dies zu modellieren erfordert jedoch einen enormen Rechenaufwand.

Doch dem Team um Beattie ist dies nun gelungen – auch dank eines deutschen Supercomputers. Der Superrechner SuperMUC-NG steht im Leibniz Supercomputing Center in Garching bei München und umfasst 6.480 Rechenknoten mit jeweils 48 Kernen. Die Astrophysiker haben die Leistung dieses Rechners genutzt, um die bisher umfangreichste Simulation von magnetisierten Turbulenzen in astrophysikalischen Umgebungen durchzuführen. „Dies sind die ersten magnethydrodynamischen Simulationen, die sowohl die Unter- wie Überschall-Kaskaden in einem selbsterhaltenden dynamo-getriebenen Magnetfeld auflösen“, erklärt das Team. „Die Auflösung unserer Simulation ist fast eine Größenordnung höher als frühere Modellierungen dieses Regimes.“ Die Modellierung benötigte mehr als 80 Millionen CPU-Stunden, verteilt auf 140.000 Rechenkerne. Sie zeigt die Teilchen- und Energieströme sowie Magnetfelder in einem würfelförmigen Ausschnitt des Weltraums, der im größten Maßstab ein Raumvolumen von etwa 30 Lichtjahren pro Seite umfasst. Im kleinsten Maßstab kann der Ausschnitt um den Faktor 5000 verkleinert werden. „Dies ist das erste Mal, dass wir diese Phänomene mit einem solchen Präzisionsgrad und auf verschiedenen Skalen untersuchen können“, sagt Beattie.

Abweichungen von gängigen Theorien

Die ersten Analysen auf Basis des neuen Modells ergaben bereits Überraschendes. Denn bei den Simulationen fanden die Forschenden signifikante Abweichungen von den seit Jahrzehnten gängigen astrophysikalischen Modellen. „In hochmagnetisierten Modi bildet das magnetische Energiespektrum eine lokale Kaskade, die von jeder bekannten Ab-Initio-Theorie abweicht“, schreiben Beattie und seine Kollegen. Demnach verändern die Magnetfelder im interstellaren Medium die Energieflüsse auf andere Weise als angenommen: Sie unterdrücken Bewegungen im kleinen Maßstab und verstärken spezielle wellenartige Störungen wie die Alfvén-Wellen. Diese Resultate werfen damit ein neues Licht auf den Transport von energiereichen Teilchen zwischen den Sternen und die turbulente Struktur unserer Galaxie. „Wir kommen damit der Entschlüsselung der wahren Natur astrophysikalischer Turbulenzen einen Schritt näher – vom chaotischen Plasma in Erdnähe bis zu den gewaltigen Bewegungen in unserer Galaxie und über sie hinaus“, sagt Beattie.

Dank seiner hohen Auflösung hat das Modell aber auch das Potenzial, ein tieferes Verständnis der Sternentstehung zu liefern. „Wir wissen, dass der magnetische Druck die Sternentstehung behindert, indem er der Gravitation entgegenwirkt, die versucht, eine sternbildende Nebelwolke kollabieren zu lassen“, erklärt Beattie. „Jetzt können wir im Detail quantifizieren, was man von magnetischen Turbulenzen in diesen Größenordnungen erwarten kann.“ Der Physiker überprüft die Ergebnisse der neuen Simulation auch an Daten, die bei Beobachtungen des Sonne-Erde-Systems gesammelt wurden. „Wir haben bereits begonnen zu prüfen, ob das Modell mit bestehenden Daten des Sonnenwinds und der Erde übereinstimmt – und es sieht sehr gut aus“, sagt Beattie. „Das ist sehr aufregend, denn es bedeutet, dass wir mit unserer Simulation etwas über Weltraumwetter lernen können.“

Quelle: James Beattie (Princeton University) et al., Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-025-02551-5

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar