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Entdeckung magnetischer Spiralarme in der Galaxie NGC 6946

Magnetfelder spielen bei fast allen Vorgängen im Weltall eine wichtige Rolle. In der Galaxie NGC6946 wurde nun ein magnetisches Spiralmuster entdeckt, das regelmäßiger ist als das optische und dessen Arme zwischen denen im sichtbaren Spektralbereich liegen.

Fast alle im Weltall sichtbare Materie ist elektrisch geladen, so daß ihre Bewegung einerseits Magnetfelder erzeugt und sie andererseits durch solche Felder beeinflußt wird. Darum haben Magnetfelder große Bedeutung für viele Vorgänge im Kosmos. So wirken sie wesentlich an der Bildung von Sternen und Planeten mit und verursachen auch den Elfjahreszyklus der Sonnenaktivität (siehe "Magnetismus und die Aktivitätszyklen von Sternen" ab Seite 48). Außerdem stabilisieren sie die kosmischen Jets, die als gigantische, strahlartige Gasströme aus den Kernen junger Galaxien herausschießen. Auch Pulsare, die bei Explosionen massereicher Sterne (Supernovae) zurückbleiben und in kurzen, regelmäßigen Abständen Radiopulse aussenden, sind gewissermaßen magnetische Leuchttürme.

Generell bieten Radiowellen die beste Möglichkeit zum Nachweis von Magnetfeldern im Weltall – stammen sie doch zum größten Teil von Elektronen der kosmischen Strahlung, die von solchen Feldern auf Spiralbahnen gezwungen werden und dort elektromagnetische Strahlung im Radiobereich aussenden, deren Intensität von der Feldstärke abhängt. Ein ähnliches Phänomen tritt auf der Erde bei ringförmigen Teilchenbeschleunigern (Synchrotrons) auf. Haben die Feldlinien eine einheitliche Richtung, so ist die Radiostrahlung hoch polarisiert: Fast alle Wellen schwingen dann senkrecht zur Magnetfeldrichtung.

Das empfindlichste Instrument zum Nachweis polarisierter Radiostrahlung ist der 100-Meter-Radiospiegel bei Bad Münstereifel-Effelsberg. Seit dieses größte voll bewegliche Teleskop der Welt vor 25 Jahren errichtet wurde, konnten die Wissenschaftler des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie damit in fast allen Galaxien Magnetfelder nachweisen. Obwohl deren Stärke nur rund ein hunderttausendstel Gauß beträgt (das irdische Magnetfeld hat dagegen eine mittlere Stärke von einem halben Gauß), ist die gespeicherte Energie vergleichbar mit derjenigen, die in der turbulenten kinetischen Bewegung des interstellaren Gases und in der von den Galaxien im gesamten Spektralbereich erzeugten Strahlung steckt.

Die Magnetfelder erfüllen die gesamten Sternsysteme. Selbst weit entfernte Galaxien, die wir – wegen der Jahrmilliarden, die ihre elektromagnetische Strahlung für den Weg zur Erde braucht – in einem frühen Stadium ihrer Entwicklung beobachten, sind von solchen Feldern durchdrungen. Ähnlich wie die sichtbare Materie bilden sie spiralförmige Muster über mehrere zehntausend Lichtjahre hinweg.

Dennoch versteht man bisher nur ungenügend, wie sich in Galaxien großräumige Magnetfelder bilden. Eine naheliegende Idee ist, daß solche Felder bereits im jungen Universum existierten; beim Zusammenballen einer Gaswolke wurden sie dann verdichtet und durch die Rotation der entstehenden Galaxie zu spiralförmigen Strukturen verzerrt. Freilich überstehen solche Magnetfelder nur wenige galaktische Rotationen (die jeweils einige hundert Millionen Jahre dauern); denn sie werden aufgewickelt und durch magnetischen Kurzschluß schließlich zerstört.

Deshalb entwarfen Wissenschaftler am Astrophysikalischen Institut in Potsdam und an der Staatsuniversität Moskau Modelle zur Entstehung der Magnetfelder nach dem Dynamo-Prinzip, das der Elektrotechniker und Industrielle Werner von Siemens (1816 bis 1892) entdeckt hat. Danach stammt die Energie zum Aufbau der Felder aus der allgemeinen Rotationsbewegung einer Galaxie, und die beobachteten Spiralmuster ergeben sich aus einem Zusammenwirken turbulenter Bewegungen von Gaswolken mit der Rotation.

Als sich selbst organisierendes System schafft eine Galaxie gleichsam Ordnung aus dem Chaos. So erschienen in Computersimulationen, die auf dem Dynamo-Modell beruhten, überall in der Scheibe großräumig geordnete Magnetfelder ähnlich den bislang beobachteten realen. Unklar blieb jedoch, wie sich die optisch sichtbaren Spiralarme aus Gas, Staub und Sternen auf die Felder auswirken. Spiralarme werden vermutlich durch Dichtewellen erzeugt, die sich wie Schallwellen im interstellaren Gas ausbreiten.

Trotz seiner enormen Größe erreicht der Effelsberger Radiospiegel bei einigen Zentimetern Wellenlänge lediglich die Winkelauflösung des bloßen menschlichen Auges (wenn auch mit unvorstellbar höherer Empfindlichkeit). Einzelne Spiralarme lassen sich damit nur in benachbarten Galaxien auseinanderhalten.

Kürzlich konnten wir jedoch die Auflösung entscheidend verbessern, indem wir die hochempfindlichen Beobachtungen des Radioteleskops Effelsberg mit neuen, hochaufgelösten Daten des Radio-Interferometers Very Large Array (VLA) in Neumexiko (USA) kombinierten. Das VLA besteht aus 27 einzelnen Spiegeln von je 20 Metern Durchmesser auf einem Y-förmigen Schienensystem, auf dem man die Schüsseln jeweils bis zu 21 Kilometer weit auseinanderfahren kann. Damit erhält man eine Art Zoom-Teleskop für den Radiobereich.

Ideales Objekt für unsere Beobachtungen war die Galaxie NGC6946 im nördlichsten Winkel des Sternbildes Schwan in rund 30 Millionen Lichtjahren Entfernung; denn sie ist im Radiobereich eine der ausgedehntesten und hellsten Spiralgalaxien am Himmel. Im optischen Spektralbereich kann man sie dagegen selbst in großen Fernrohren kaum ausmachen, weil sie sich hinter einem Vorhang aus Sternen und Staub in unserer eigenen Milchstraße befindet, der sichtbares Licht im Unterschied zu Radiowellen zurückhält.

Wir erreichten eine Winkelauflösung von 12 Bogensekunden, was rund 1000 Lichtjahren in NGC6946 entspricht. Die Daten beider Teleskope lieferten das schärfste und zugleich empfindlichste Bild, das je von der magnetischen Struktur einer Spiralgalaxie gelang (Bild). Wir entdeckten darin neuartige magnetische Spiralarme, die regelmäßiger sind als die zerfransten optischen Gegenstücke. Sie erstrecken sich über einen Winkel von rund 10 Bogenminuten am Himmel, was einem Drittel des scheinbaren Monddurchmessers entspricht. Wir nehmen an, daß ähnliche Arme auch in vielen anderen Galaxien vorhanden sind, aber bei Beobachtung mit einem Teleskop allein bisher nicht entdeckt werden konnten.

Mit ihrer großräumigen Symmetrie und ihrer Richtung liefern die magnetischen Arme einen entscheidenden Hinweis auf die Funktionsweise eines universal arbeitenden Dynamos. Da sie eine ähnliche Form haben wie die optischen Spiralarme, muß es einen Zusammenhang zwischen beiden geben. Vielleicht besteht eine Resonanz zwischen der Dichtewelle des Gases und der Dynamo-Welle des Magnetfeldes. Wir vermuten jedenfalls, daß Magnetfelder die Bildung von Spiralstrukturen erleichtern oder sogar überhaupt erst ermöglichen.

Allerdings widerspricht unsere Entdeckung in einem entscheidenden Punkt dem bisherigen Dynamo-Modell. Ihm zufolge wird das Magnetfeld durch Turbulenz verstärkt, die sich aus den Prozessen der Sternentstehung speist. Demnach sollten die geordneten Magnetfelder mit den optisch sichtbaren Spiralarmen zusammenfallen. Tatsächlich liegen sie jedoch fast genau dazwischen, also in Gebieten geringster Gas- und Sterndichte. Unsere Kollegen haben bereits damit begonnen, neue Dynamo-Modelle im Computer zu rechnen, um der Ursache dieses Widerspruchs auf die Spur zu kommen. Vielleicht liefern die magnetischen Arme somit den Schlüssel zum endgültigen Verständnis galaktischer Dynamos.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1996, Seite 28
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
10 / 1996

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 10 / 1996

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