Elektronenwirbel in der Strudelgalaxie

Das LOFAR-Radioteleskop beobachtet im System M 51 kosmische Teilchen und Magnetfelder

20. August 2014

Das Objekt Messier 51 in etwa 30 Millionen Lichtjahren Entfernung wird wegen seines Aussehens auch als Strudelgalaxie bezeichnet. Man sieht diesen „Whirlpool“ fast genau von oben, und er zeigt ein sehr schön ausgeprägtes System von Spiralarmen. Ein europäisches Team von Astronomen hat die ferne Milchstraße mit dem internationalen LOFAR-Teleskop jetzt in einem Frequenzbereich von 115 bis 175 Megahertz beobachtet und damit das bisher empfindlichste Bild einer Galaxie bei Frequenzen unterhalb von einem Gigahertz erstellt.

Die Strudelgalaxie und ihre Umgebung: Die LOFAR-Radiokarte zeigt M 51 bei einer Frequenz von 115 bis 175 Megahertz; das abgebildete Feld umfasst 4 mal 2,6 Grad. Das Radiobild zeigt die Verteilung von kosmischen Elektronen in M 51 und außerdem eine große Zahl von Hintergrundgalaxien. Das Inset zeigt eine vergrößerte Darstellung von M 51 (weiße Konturlinien) als Überlagerung auf ein optisches Bild aus dem „Digital Sky Survey“ (DSS).

Das Aussehen von Galaxien im Radiobereich unterscheidet sich deutlich von ihrem optischen Erscheinungsbild. Während das sichtbare Licht von den Sternen dominiert wird, zeigen Radiowellen zwei Bestandteile von Galaxien, die optische Teleskope nicht erfassen können: Magnetfelder und bis fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigte Elektronen. Welche Rolle spielen sie für die Stabilität und die Entwicklung von Galaxien? Darüber diskutieren die Forscher derzeit noch.

Die Elektronen sind Partikel der sogenannten kosmischen Strahlung, die in den von gigantischen Supernova-Explosionen verursachten Stoßwellen entstehen. Magnetfelder wiederum werden durch Dynamoprozesse erzeugt, welche die Bewegung des Gases in der Galaxie antreiben. Wenn Elektronen sich auf spiralförmigen Bahnen um Magnetfeldlinien bewegen, entsteht Synchrotronstrahlung. Die Intensität dieser Radiostrahlung steigt dabei mit der Anzahl und Energie der Elektronen sowie mit der Stärke des Magnetfelds.

Viele Jahrzehnte lang war die Radioastronomie nicht dazu in der Lage, die Radiostrahlung bei niedrigen Frequenzen unterhalb von 300 Megahertz (MHz) vollständig auszuwerten, da die Ionosphäre der Erde ein Hindernis speziell für niederfrequente Radiowellen darstellt – und unterhalb von etwa 10 MHz sogar komplett undurchlässig wird.

Es erfordert ausgeklügelte Methoden der Datenverarbeitung und superschnelle Computer, um die Störungen der Ionosphäre zu korrigieren. Aufgrund dieser technischen Herausforderungen haben Forscher die Spiralgalaxien bisher nur selten bei niedrigen Frequenzen untersucht. Lediglich Beobachtungen bei sehr niedriger Winkelauflösung und ohne jegliche Details standen bis jetzt zur Verfügung.

Mit der hohen Empfindlichkeit des LOFAR-Teleskops haben Astronomen um David Mulcahy nun die Galaxie M 51 angepeilt. Dabei gelang es, die Scheibe wesentlich weiter in die Außenbereiche hinaus abzubilden als jemals zuvor. Schnelle kosmische Elektronen und Magnetfelder wurden bis in eine Entfernung von 40.000 Lichtjahren vom Zentrum nachgewiesen.

Netz an Radioantennen: Die LOFAR-Stationen in Europa

Dank der hohen Winkelauflösung von LOFAR werden die Spiralarme der Galaxie auf den Bildern deutlich getrennt sichtbar. Dabei treten Magnetfelder und kosmische Elektronen in den Spiralarmen selbst am stärksten hervor. Im Vergleich zu noch höheren Radiofrequenzen erscheinen die Spiralarme hier breiter, und zwar aufgrund der Ausbreitung kosmischer Elektronen weg von den Spiralarmen, in denen sie entstanden sind.

„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“, sagt David Mulcahy, jetzt an der Universität Southhampton und Erstautor des Aufsatzes. „Wir möchten gern wissen, ob Magnetfelder von den Galaxien abgestoßen werden und wie stark sie in den äußeren Bereichen der Galaxien noch sind.“

„Dieses tolle Bild von M 51 in Verbindung mit den daraus gewonnenen neuen Erkenntnissen zeigt den enormen Fortschritt, der bei niedrigen Radiofrequenzen mit dem LOFAR-Teleskop erreicht werden kann“, ergänzt Anna Scaife, Ko-Autorin der Veröffentlichung. „Die Geheimnisse von Magnetfeldern zu enthüllen ist entscheidend für das Verständnis dafür, wie unser Universum funktioniert. Viel zu lange konnten wir die großen Fragen zu den Magnetfeldern einfach nicht durch Beobachtungen überprüfen.“

Es gab auch bereits Beobachtungen der Galaxie M 51 mit LOFAR bei Radiofrequenzen von 30 bis 80 MHz, also unterhalb des UKW-Bereichs. „Das eröffnet uns ein weiteres neues Fenster zum Universum, und wir wissen noch nicht, wie die Galaxien in diesem Frequenzbereich aussehen“, sagt Rainer Beck, der das Promotionsprojekt von David Mulcahy am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie betreut hat. „Vielleicht können wir sogar eine magnetische Verbindung der Galaxien zum intergalaktischen Raum erfassen.“ Das wäre ein Schlüsselexperiment zur Vorbereitung des geplanten Square Kilometre Arrays (SKA), das zeigen könnte, wo und wie kosmische Magnetfelder erzeugt werden.

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Das Low Frequency Array (LOFAR) wurde entworfen und konstruiert von ASTRON in den Niederlanden. Es ist ein Radioteleskop völlig neuer Bauart, 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 beweglichen 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 an der Universität Groningen (Niederlande).

NJ / HOR

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