Das Magnetfeldmuster der Milchstraße

Neue Himmelskarte zeigt die komplexe Struktur mit höchster Präzision

6. Dezember 2011

Wie alle Galaxien ist auch unsere Milchstraße von Magnetfeldern durchzogen. Nun haben Forscher erstmals deren komplexe Struktur im Detail vermessen. Mittels eines neuartigen Verfahrens zur Bildrekonstruktion kombinierten sie die Daten von mehr als 41000 Einzelmessungen. Dabei arbeiteten Theoretiker des Max-Planck-Instituts für Astrophysik mit einem internationalen Team von Radioastronomen zusammen. Die Karte zeigt nicht nur den gesamten Aufbau des galaktischen Magnetfelds auf großen Skalen, sondern auch kleinskalige Strukturen, die Aufschluss über turbulente Strömungen im Gas geben.

Die Himmelskarte des Faradayeffekts der Magnetfelder unserer Milchstraße. Rötliche Farben zeigen Himmelsregionen, in denen das Magnetfeld auf den Beobachter zu zeigt, in bläulichen Regionen ist es von ihm weggerichtet. Das Band der Milchstraße (die Ebene der galaktischen Scheibe) erstreckt sich in dieser Panoramaansicht horizontal, das Zentrum liegt in der Bildmitte. Der Himmelsnordpol befindet sich links oben, der Südpol rechts unten.

Die Magnetfeldlinien in der Milchstraße folgen zum Teil den Bewegungen des galaktischen Gases, können aber auch ihrerseits die Ursache für derartige Bewegungen sein. Trotz intensiver Forschung ist der Ursprung der Magnetfelder noch immer unbekannt. Man nimmt an, dass Dynamoprozesse dahinterstecken, bei denen mechanische in magnetische Energie umgewandelt wird. Ähnliche Prozesse laufen im Innern der Erde, der Sonne und im weitesten Sinn auch in Fahrraddynamos ab. Die neue Karte galaktischer Magnetfelder liefert nun Einblicke in die Maschinerie des galaktischen Dynamos.

Eine Möglichkeit, die kosmischen Magnetfelder zu messen, bietet der seit mehr als 150 Jahren bekannte Faradayeffekt. Dabei spielt die Polarisation eine Rolle – eine Eigenschaft elektromagnetischer Wellen, welche die Orientierung der elektrischen und magnetischen Felder im Raum beschreibt. Der Faradayeffekt dreht die Polarisationsebene von polarisiertem Licht, das durch ein magnetisiertes Medium fällt. Das Ausmaß der Drehung hängt unter anderem von Magnetfeldstärke und -richtung ab; so lassen sich diese Eigenschaften untersuchen.

Um das Magnetfeld unserer eigenen Galaxie zu messen, benutzen Astronomen das polarisierte Licht entfernter Radiogalaxien, das auf seinem Weg zu uns die Milchstraße durchqueren muss. Der dabei auftretende Faradayeffekt lässt sich durch Messungen bei verschiedenen Frequenzen rekonstruieren. Damit können die Astronomen für die Sichtlinien zu den Radiogalaxien die Stärke des Faradayeffekts bestimmen und erhalten Information über das galaktische Magnetfeld.

Um aus den Faradaymessungen ein Bild der Magnetfelder der Milchstraße zu erhalten, müssen an möglichst dicht verteilten Himmelspunkten solche Radiogalaxien hinter der Milchstraße anvisiert werden. Doch wurden insbesondere am südlichen Firmament bisher nur wenige Beobachtungen vorgenommen. Der von den 26 Radioastronomen des Projekts beigesteuerte Datensatz umfasst 41330 Einzelmessungen und somit im Durchschnitt etwa eine Radiogalaxie pro Quadratgrad des Himmels.

Um eine möglichst realistische Karte des gesamten Himmels zu erhalten, muss also zwischen den vorhandenen Messpunkten interpoliert werden. Dabei treten jedoch zwei Schwierigkeiten auf: Die jeweiligen Messgenauigkeiten variieren stark; deshalb sollten genauere Messungen ein größeres Gewicht bekommen. Außerdem wissen die Forscher nicht, wie groß die Himmelsregion ist, über die ein Messpunkt noch zuverlässig Informationen über seine Umgebung liefert. Diese Entfernung muss also direkt aus den Daten selbst erschlossen und korrekt berücksichtigt werden.

Doch damit nicht genug: Aufgrund des höchst komplexen Messvorgangs sind die Unsicherheiten selbst unsicher. So kommt es vor, dass der tatsächliche Messfehler für einen kleinen aber signifikanten Teil der Daten mehr als zehnfach so groß ist, als von den Radioastronomen angegeben. Die vermeintliche Genauigkeit dieser Ausreißer kann die Faradaykarte galaktischer Magnetfelder stark verfälschen, sofern keine entsprechende Korrektur vorgenommen wird.

Die zur Faradaykarte gehörende Unsicherheitskarte. Man beachte den im Vergleich zur Faradaykarte kleineren Wertebereich der verbleibenden Unsicherheiten. Im Bereich des Himmelssüdpols sind die Messunsicherheiten besonders hoch, da hier am wenigsten Daten vorliegen.

Für derlei problematische Daten haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik 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 signalverarbeitenden Anwendungen in Astronomie, Medizin und Geografie nützlich sein kann.

Neben der detaillierten Faradaykarte liefert der Algorithmus auch eine Karte der verbleibenden Unsicherheiten, die vor allem in der galaktischen Scheibe und in der weniger gut beobachteten Region um den Himmelssüdpol deutlich größer sind. Um die Strukturen im galaktischen Magnetfeld hervorzuheben, ist in der letzten hier gezeigten Abbildung der Effekt der galaktischen Scheibe herausgerechnet worden, sodass schwächere Strukturen ober- und unterhalb der galaktischen Scheibe besser hervortreten.

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.

Die Magnetfeldlinien laufen in diesem Szenario parallel zur Ebene der galaktischen Scheibe kreis- oder spiralförmig um das Zentrum, wobei sie oberhalb und unterhalb der Scheibe entgegengesetzte Richtungen haben. Von unserer Randposition in der galaktischen Scheibe aus gesehen entstehen daher die beobachteten Symmetrien der Faradaykarte.

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

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 lässt sich direkt mit Vorhersagen aufwendiger Computersimulationen der turbulenten Gas- und Magnetfelddynamik unserer Galaxie vergleichen und erlaubt somit, galaktische Dynamomodelle im Detail zu testen.

Die neue Magnetfeldkarte ist aber nicht nur für unsere Milchstraße interessant, auch zukünftige Studien extragalaktischer Magnetfelder werden auf diese Karte zurückgreifen, um den galaktischen Anteil der Messungen abziehen zu können. Von der nächsten Generation an Radioteleskopen erwarten die Forscher in den kommenden Jahren eine Fülle neuer Messungen des Faradayeffekts. Diese werden in Aktualisierungen der Karte einfließen, um das Bild des Faradayhimmels weiter zu verfeinern. Und vielleicht wird diese Karte dann einmal den Weg zum verborgenen Ursprung der galaktischen Magnetfelder weisen.

HAE/HOR

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