Galaktische Magnetfelder mit rätselhaftem Ursprung

6. Dezember 2011, 23:37
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Magnetfeldstruktur unserer Heimatgalaxie mit bisher höchster Präzision rekonstruiert

Astronomen haben erstmals die Magnetfeldstruktur der Milchstraße im Detail ausgemessen. Um diese Himmelskarte zu errechnen, wurden Daten von über 41.000 Einzelmessungen mit einem neuartigen Verfahren zur Bildrekonstruktion kombiniert. Dabei arbeiteten Theoretiker des Max-Planck-Instituts für Astrophysik (MPA), die sich auf das neue Gebiet der Informationsfeldtheorie spezialisiert haben, und ein großes internationales Team von Radioastronomen zusammen. Die neue Karte zeigt nun nicht nur den gesamten Aufbau des galaktischen Magnetfeldes auf großen Skalen, sondern auch kleinskalige Strukturen, die Aufschluss über turbulente Strömungen im galaktischen Gas geben.

Magnetfelder unbekannter Quelle

Alle Galaxien sind von Magnetfeldern durchzogen, so auch unsere Milchstraße. Dabei folgen die Magnetfeldlinien zum Teil den Bewegungen des galaktischen Gases, können aber auch die Ursache für derartige Bewegungen sein. Trotz intensiver Forschung ist der Ursprung der Magnetfelder noch immer unbekannt. Man nimmt zwar an, dass sie durch Dynamoprozesse aufgebaut werden, bei denen mechanische Energie in magnetische Energie umgewandelt wird, Beweise dafür haben die Astronomen aber bislang noch keine gefunden. Ähnliche Prozesse laufen im Innern der Erde, der Sonne und im weitesten Sinn auch in Fahrraddynamos ab. Die neue Karte galaktischer Magnetfelder liefert nun immerhin neue Einblicke in die Maschinerie dieses galaktischen Dynamos.

Eine Möglichkeit die kosmischen Magnetfelder zu messen bietet der seit über 150 Jahren bekannte Faraday-Effekt. Dabei wird die Polarisationsebene von polarisiertem Licht, das durch ein magnetisiertes Medium fällt, gedreht. Das Ausmaß dieser Drehung hängt unter anderem von der Magnetfeldstärke und -richtung ab und erlaubt es somit, diese Eigenschaften zu untersuchen. Um das Magnetfeld unserer eigenen Galaxie zu messen, benutzen Radioastronomen das polarisierte Licht entfernter Radiogalaxien, welches auf seinem Weg zu uns die Milchstraße durchqueren muss. Die dabei auftretende Drehung der Polarisation durch den Faraday-Effekt kann durch Messungen bei verschiedenen Frequenzen rekonstruiert werden. Damit können die Astronomen für die Sichtlinien zu den so vermessenen Radiogalaxien die Stärke des Faraday-Effektes bestimmen und erhalten somit Information über das galaktische Magnetfeld.

Neuartiger Algorithmus

Um Messfehler und-Ungenauigkeiten auszugleichen haben Wissenschafter am MPA einen neuartigen Algorithmus zur Bildrekonstruktion entwickelt, den "erweiterten kritischen Filter". Das Team nutzt dabei Methoden der neuen Informationsfeldtheorie, die logische und statistische Methoden auf Felder mit ungenauen Fehlerangaben anwendet. Dieser Ansatz ist so allgemein, dass er für eine Vielzahl von Bild- und Signal-verarbeitenden Anwendungen in Astronomie, Medizin und Geographie von Nutzen sein kann.

Neben der detaillierten Faradaykarte (obere Abbildung) liefert der Algorithmus auch eine Karte der verbleibenden Unsicherheiten (mittlere Abbildung), die insbesondere in der galaktischen Scheibe und in der weniger gut beobachteten Region um den Himmelssüdpol (rechter unterer Quadrant) deutlich größer sind. Um die Strukturen im galaktischen Magnetfeld hervorzuheben, ist in der unteren Abbildung der Effekt der galaktischen Scheibe heraus gerechnet worden, sodass schwächere Strukturen ober- und unterhalb der galaktischen Scheibe besser sichtbar sind.

Karte stützt Theorie

Dadurch zeigt sich neben dem auffälligen horizontalen Band der Gasscheibe unserer Milchstraße in der Bildmitte, dass die Magnetfeldrichtungen ober- und unterhalb der Scheibe entgegengesetzt zu sein scheinen. Ein analoger Richtungswechsel findet auch an der vertikalen Mittellinie statt, die durch das Zentrum der Milchstraße verläuft.

Ein spezielles Szenario des galaktischen Dynamos sagt genau diese symmetrischen Strukturen voraus; dieses wird somit durch die neu erstellte Karte unterstützt. Die Magnetfeldlinien laufen in diesem Szenario parallel zur Ebene der galaktischen Scheibe kreis- oder spiralförmig um das galaktische Zentrum, wobei sie oberhalb und unterhalb der Scheibe entgegengesetzte Richtungen haben (unter Abbildung). Von unserer Randposition in der galaktischen Scheibe aus gesehen entstehen daher die beobachteten Symmetrien der Faradaykarte.

Kleine turbulente Strukturen

Neben diesen großskaligen Strukturen sind aber auch diverse kleinere Strukturen zu sehen, die mit turbulenten Verwirbelungen und Verklumpungen im äußerst dynamischen Gas der Milchstraße zusammenhängen. Die neue Methode liefert als Nebenprodukt eine Charakterisierung der Größenverteilung dieser turbulenten Strukturen, das sogenannte Leistungsspektrum, wobei größere Strukturen stärker ausgeprägt sind als kleinere, wie es für Turbulenz typisch ist. Dieses Spektrum kann direkt mit Vorhersagen aufwändiger Computersimulationen der turbulenten Gas- und Magnetfelddynamik unserer Galaxie verglichen werden und erlaubt somit, galaktische Dynamomodelle im Detail zu testen. (red)

  • Die neue präzise Himmelskarte zeigt die Magnetfelder
 unserer Milchstraße. Rötliche Farben zeigen Regionen in denen 
das Magnetfeld in Richtung des Beobachters zeigt, in bläulichen Regionen weist es von ihm weg. Die Ebene der galaktischen 
Scheibe erstreckt sich horizontal, das 
Zentrum der Milchstraße liegt in der Bildmitte. Der Himmelsnordpol 
befindet sich links oben und der Südpol rechts unten.
    foto: mpa

    Die neue präzise Himmelskarte zeigt die Magnetfelder unserer Milchstraße. Rötliche Farben zeigen Regionen in denen das Magnetfeld in Richtung des Beobachters zeigt, in bläulichen Regionen weist es von ihm weg. Die Ebene der galaktischen Scheibe erstreckt sich horizontal, das Zentrum der Milchstraße liegt in der Bildmitte. Der Himmelsnordpol befindet sich links oben und der Südpol rechts unten.

  • Die zur Faraday-Karte gehörige Unsicherheitskarte: 
Im Bereich des 
Himmelssüdpols sind die Messunsicherheiten besonders hoch, da hier am 
wenigsten Daten vorliegen.
    foto: mpa

    Die zur Faraday-Karte gehörige Unsicherheitskarte: Im Bereich des Himmelssüdpols sind die Messunsicherheiten besonders hoch, da hier am wenigsten Daten vorliegen.

  • In dieser Darstellung wurde der Effekt der 
galaktischen Scheibe heraus gerechnet, um schwächere Strukturen des 
galaktischen Magnetfeldes deutlicher sichtbar zu machen. Die 
Magnetfeldrichtungen ober- und unterhalb der Scheibe scheinen 
entgegengesetzt zu sein, wie anhand der positiven (rot) und negativen 
(blau) Werte zu erkennen ist. Ein analoger Richtungswechsel findet auch 
an der vertikalen Mittellinie statt, die durch das Zentrum der 
Milchstraße verläuft.
    foto: mpa

    In dieser Darstellung wurde der Effekt der galaktischen Scheibe heraus gerechnet, um schwächere Strukturen des galaktischen Magnetfeldes deutlicher sichtbar zu machen. Die Magnetfeldrichtungen ober- und unterhalb der Scheibe scheinen entgegengesetzt zu sein, wie anhand der positiven (rot) und negativen (blau) Werte zu erkennen ist. Ein analoger Richtungswechsel findet auch an der vertikalen Mittellinie statt, die durch das Zentrum der Milchstraße verläuft.

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