Galaktische Magnetkraft schon vor 4,6 Milliarden Jahren

Wie eine weit entfernte Galaxie Radiowellen beeinflusst, gibt Hinweise auf die Entstehung von kosmischen Magnetfeldern

Magnetfelder treten in Galaxien als Ordnungskräfte auf. Sie bestimmen etwa, ob sich die Sterne in Spiralarmen sammeln oder eher linsenförmig gruppieren. Magnetfelder beeinflussen aber auch den Materiestrom in ein schwarzes Loch im Zentrum eines Sternsystems. Wie sich die Magnetfelder in Galaxien des jüngeren Universums entwickelten und stark genug wurden, um diese Wirkungen zu entfalten, können Astronomen nun genauer untersuchen. Denn einem internationalen Forscherteam um Sui Ann Mao vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie ist es gelungen, das Magnetfeld in einer 4,6 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie zu vermessen. Dies ist derzeit die am weitesten entfernte Galaxie mit einem zusammenhängenden Magnetfeld, das sich also bereits sehr weit entwickelt hatte, als das Universum nur zwei Drittel seines heutigen Alters erreichte.

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Links: Mit dem Hubble Space Telescope aufgenommenes Bild des Gravitationslinsensystems CLASS B1152+199. Das Licht des Quasars im Hintergrund wird durch den Gravitationslinseneffekt der Vordergrundgalaxie in zwei unterschiedliche Bilder A und B aufgespaltet. Rechts: Die Faraday-Rotation genannte Wirkung des Magnetfeldes auf die Polarisation von Radiowellen die beiden Bilder. Bild A stammt von einer Sichtlinie durch den weniger dichten Außenbereich der Vordergrundgalaxie mit schwächerem Magnetfeld, während Bild B über eine zentralere Sichtlinie mit höherer Gasdichte und stärkerem Magnetfeld erzeugt wurde. 

Links: Mit dem Hubble Space Telescope aufgenommenes Bild des Gravitationslinsensystems CLASS B1152+199. Das Licht des Quasars im Hintergrund wird durch den Gravitationslinseneffekt der Vordergrundgalaxie in zwei unterschiedliche Bilder A und B aufgespaltet. Rechts: Die Faraday-Rotation genannte Wirkung des Magnetfeldes auf die Polarisation von Radiowellen die beiden Bilder. Bild A stammt von einer Sichtlinie durch den weniger dichten Außenbereich der Vordergrundgalaxie mit schwächerem Magnetfeld, während Bild B über eine zentralere Sichtlinie mit höherer Gasdichte und stärkerem Magnetfeld erzeugt wurde. 

Es ist immer noch ein großes Rätsel der Kosmologie: Allen Fortschritten dieser Disziplin zum Trotz verstehen Astrophysiker bislang nicht genau, wie sich die Magnetfelder im Universum zu dem entwickelt haben, was sie heute sind. Die ursprünglich sehr schwachen Magnetfelder ähneln in keiner Weise denjenigen, die wir in den heutigen Galaxien beobachten. Um über deren Entwicklung näheres zu erfahren, untersuchten Sui Ann Mao und ihre Kollegen das Magnetfeld einer 4,6 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie. Dabei bedienten sich die Astronomen eines Tricks. Sie beobachteten mit dem amerikanischen „Very Large Array“-Radioteleskop einen Quasar durch die gewaltige kosmische Linse CLASS B1152+199.

Ein Magnetfeld verändert die Polarisation von Radiowellen

Wenn ein Hintergrundquasar in großer Entfernung und eine etwas nähergelegene Vordergrundgalaxie wie im Fall des Systems CLASS B1152+199 direkt hintereinander in der Sichtlinie stehen, kann der Lichtweg des weiter entfernten Quasars durch den Gravitationslinseneffekt der Vordergrundgalaxie so gekrümmt werden, dass von der Erde aus zwei separate Bilder des Quasars zu sehen sind. Da die Strahlung des Quasars unterschiedliche Bereiche der als Gravitationslinse wirkenden Galaxie passiert, wird es möglich, Magnetfelder eines Sternensystems zu vermessen, das Astrophysiker sonst gar nicht erfassen könnten. Um Informationen über das Magnetfeld des Sternsystems zu erhalten, wertete das Forscherteam die Polarisation, also die Schwingungsrichtung der Radiowellen des Quasars aus, die durch das Magnetfeld der Vordergrundgalaxie verändert wird. Auf diese Weise fanden die Astronomen heraus, dass die als Gravitationslinse wirkende Galaxie ein ausgedehntes zusammenhängendes Magnetfeld besitzt.

Die Entdeckung eines starken zusammenhängenden Magnetfelds in einer Galaxie in knapp fünf Milliarden Lichtjahren Entfernung und damit zu einer Zeit von nur zwei Dritteln des heutigen Alters des Universums ermöglicht den Forschern zu vermessen, wie schnell sich diese Magnetfelder in Galaxien aufbauen. „Obwohl diese weit entfernte Galaxie im Vergleich zu heutigen Galaxien weniger Zeit hatte, ihr Magnetfeld aufzubauen, war sie trotzdem dazu in der Lage“, sagt Sui Ann Mao, Leiterin der Minerva-Forschungsgruppe „Kosmischer Magnetismus“ am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und Erstautorin der Veröffentlichung. „Unsere Untersuchungen unterstützen die Idee, dass galaktische Magnetfelder durch einen Dynamoprozess aufgebaut werden.“

Die bisher beste Beschreibung von Dynamos in Galaxien

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Schematische Darstellung des Gravitationslinsensystems. Die Strahlung des Quasars in einer Entfernung von 7,9 Milliarden Lichtjahren wird durch die als Gravitationslinse wirkende Vordergrundgalaxie in 4,6 Milliarden Lichtjahren Entfernung gekrümmt. Die Sichtlinien der beiden Bilder A und B erfassen unterschiedliche Gasstrukturen und Magnetfelder in der als Gravitationslinse wirkenden Galaxie.

Schematische Darstellung des Gravitationslinsensystems. Die Strahlung des Quasars in einer Entfernung von 7,9 Milliarden Lichtjahren wird durch die als Gravitationslinse wirkende Vordergrundgalaxie in 4,6 Milliarden Lichtjahren Entfernung gekrümmt. Die Sichtlinien der beiden Bilder A und B erfassen unterschiedliche Gasstrukturen und Magnetfelder in der als Gravitationslinse wirkenden Galaxie.

In einem Dynamo werden elektrische Ladungen bewegt, wodurch senkrecht zum Strom der Ladungen ein Magnetfeld entsteht. Dynamo-Prozesse im turbulenten interstellaren Gas verstärkten also offenbar die anfangs schwachen Magnetfelder in einer Galaxie und ordneten sie um. Die Beschreibung, wie der Dynamo ausgedehnte Strukturen im Magnetfeld aufbaut, ist jedoch ein weitgehend ungelöstes Problem. „Unsere jetzigen Messungen führen zu der bisher besten Beschreibung, wie Dynamos in Galaxien wirken“, betont Ellen Zweibel von der  University of Wisconsin in Madison, USA.

„Das ist ein aufregendes Resultat – zum ersten Mal konnten wir verlässlich sowohl die Stärke wie auch die Struktur des Magnetfelds in einer weit entfernten Galaxie bestimmen“, sagt Sui Ann Mao. Das Gravitationslinsensystem CLASS B1152+199 ist zur Zeit der Rekordhalter als am weitesten entfernte Galaxie, bei der Eigenschaften ihres Magnetfelds vermessen werden konnten. „Unsere Arbeit zeigt, wie effektiv die Verbindung des starken Gravitationslinseneffekts mit Breitband-Radiopolarisationsmessungen dabei ist, Magnetfelder im hochrotverschobenen Universum zu untersuchen“, sagt die Forscherin.

NJ

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