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Astrophysik: Elektronenwirbel in der Strudelgalaxie

Die Galaxie Messier 51 in rund 30 Millionen Lichtjahren Entfernung wird wegen ihres Aussehens als Strudelgalaxie bezeichnet. Man sieht die Galaxie fast genau von oben und sie zeigt ein sehr schön ausgeprägtes System von Spiralarmen. Ein europäisches Team von Astronomen hat dieses Sternsystem mit dem internationalen LOFAR-Teleskop in einem Frequenzbereich von 115 bis 175 Megahertz beobachtet; das ist unmittelbar oberhalb des kommerziellen UKW-Bereichs von 88 bis 108 Megahertz. Das Team erstellte damit das bisher empfindlichste Bild überhaupt von einer Galaxie bei Frequenzen unterhalb von einem Gigahertz.
LOFAR-Stationen

Mit der hohen Empfindlichkeit des LOFAR-Teleskops konnte die Scheibe der Galaxie M51 wesentlich weiter bis in die Außenbereiche abgebildet werden als jemals zuvor. Den Astronomen ist es gelungen, schnelle kosmische Elektronen und Magnetfelder bis in eine Entfernung von 40 000 Lichtjahren vom Zentrum von Messier 51 hinaus nachzuweisen.

LOFAR-Radiokarte der Strudelgalaxie Messier 51 | Diese LOFAR-Radiokarte zeigt die Strudelgalaxie Messier 51 und ihre Umgebung bei einer Frequenz von 115 bis 175 Megahertz. Das abgebildete Feld umfasst 4 x 2,6 Grad. Die Beobachtungen wurden mit den niederländischen "Highband"-LOFAR-Antennen durchgeführt. Das Radiobild zeigt die Verteilung von kosmischen Elektronen in der Galaxie Messier 51 und darüber hinaus eine große Zahl von Hintergrundgalaxien. Das Inset zeigt eine vergrößerte Darstellung von Messier 51 (weiße Konturlinien) als Überlagerung auf ein optisches Bild von M51 aus dem "Digital Sky Survey" (DSS).

Die hohe Winkelauflösung von LOFAR zeigt die Spiralarme der Galaxie deutlich getrennt. Dabei treten Magnetfelder und kosmische Elektronen in den Spiralarmen selbst am stärksten hervor. Im Vergleich zu noch höheren Radiofrequenzen erscheinen die Spiralarme hier breiter wegen der Ausbreitung kosmischer Elektronen weg von den Spiralarmen, in denen sie entstanden sind.

Das Aussehen von Galaxien im Radiobereich ist sehr unterschiedlich zu ihrem optischen Erscheinungsbild. Während im Optischen das sichtbare Licht von den Sternen dominiert, zeigen Radiowellen zwei Bestandteile von Galaxien, die von optischen Teleskopen nicht erfasst werden können, nämlich Magnetfelder und bis fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigte Elektronen. Welche Rolle sie für die Stabilität und die Entwicklung von Galaxien spielen, wird verstärkt von den Experten diskutiert. Die Elektronen sind Partikel der so genannten kosmischen Strahlung, die in den von gigantischen Supernova-Explosionen verursachten Stoßwellen erzeugt werden. Magnetfelder wiederum werden durch Dynamo-Prozesse erzeugt, die von der Bewegung des Gases in der Galaxie angetrieben werden. Wenn Elektronen sich auf spiralförmiger Bahn um Magnetfeldlinien bewegen, werden Radiowellen abgestrahlt, die auch als Synchrotronstrahlung bezeichnet werden. Die Intensität der Strahlung steigt dabei mit der Anzahl und Energie der Elektronen sowie mit der Stärke des Magnetfelds an.

Viele Jahrzehnte lang war die Radioastronomie nicht dazu in der Lage, die Radiostrahlung bei niedrigen Frequenzen unterhalb von 300 Megahertz vollständig auszuwerten, da die Ionosphäre der Erde ein Hindernis speziell für niederfrequente Radiowellen darstellt (und unterhalb von etwa zehn Megahertz sogar komplett undurchlässig wird). Es erfordert ausgeklügelte Methoden der Datenverarbeitung und superschnelle Computer, um die Störungen der Ionosphäre zu korrigieren. Auf Grund dieser technischen Herausforderungen sind Spiralgalaxien bisher nur sehr selten bei niedrigen Frequenzen untersucht worden. Lediglich Beobachtungen bei sehr niedriger Winkelauflösung und ohne jegliche Details standen bis jetzt zur Verfügung.

Das Untersuchungsobjekt in der Dissertation von David Mulcahy ist die großartige Spiralgalaxie Messier 51 in einer Entfernung von ungefähr 30 Millionen Lichtjahren, die bereits in einem kleinen optischen Teleskop in Richtung des Sternbilds Jagdhunde (lateinisch: Canes Venatici) sichtbar wird (in unmittelbarer Umgebung des Großen Bären am Nordhimmel).

Radiowellen bei niedriger Frequenz sind deshalb so wichtig, weil sie Informationen enthalten über Elektronen bei relativ niedrigen Energien, die in wesentlich größere Abstände von ihren Ursprungsorten in den Spiralarmen gelangen können, und dadurch die Magnetfelder in den äußeren Bereichen der Galaxien ausleuchten. Die Forscher möchten daher gern wissen, ob Magnetfelder von den Galaxien abgestoßen werden und wie stark sie in den äußeren Bereichen der Galaxien noch sind.

Das "Low Frequency Array" (LOFAR) wurde entworfen und konstruiert von ASTRON in den Niederlanden. Es ist ein Radioteleskop völlig neuen Typs, das den Zugang zu sehr niedrigen Radiofrequenzen ermöglicht. LOFAR erforscht einen bisher kaum erfassten Frequenzbereich unterhalb von 240 Megahertz und besteht aus einer Vielzahl von kleinen Antennen (Dipolen) einfacher Bauart ohne jegliche bewegliche Teile. LOFAR setzt sich zusammen aus 38 Stationen in den Niederlanden, sechs Stationen in Deutschland und jeweils einer Station in Großbritannien, Frankreich und Schweden. Das neuartige Prinzip besteht aus der Online-Verbindung von Signalen aus allen Stationen in einem leistungsstarken Computercluster in der Universität Groningen (Niederlande).

Es gab auch bereits Beobachtungen der Galaxie M51 mit LOFAR bei Radiofrequenzen von 30 bis 80 Megahertz, also unterhalb des UKW-Bereichs. Dadurch öffnet sich ein weiteres neues Fenster zum Universum, und die Forscher wissen noch nicht, wie die Galaxien in diesem Frequenzbereich aussehen. Vielleicht lässt sich sogar eine magnetische Verbindung der Galaxien zum intergalaktischen Raum erfassen. Das wäre ein Schlüsselexperiment zur Vorbereitung des geplanten Square Kilometre Arrays" (SKA) und könnte zeigen, wo und wie kosmische Magnetfelder erzeugt werden.

MPIfR / Red.

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  • Quellen
MPIfR, 20. August 2014

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