Magnetfelder in Spiralgalaxien
Dr. Rainer Beck, MPIfR Bonn

 
Eine Karte der kontinuierlichen Radiostrahlung im Bereich der Zentimeter- und Dezimeterwellen zeigt uns die Verteilung der Magnetfelder, die von den Elektronen der Kosmischen Strahlung "beleuchtet" werden. Diese laufen auf Spiralbahnen um die Magnetfeldlinien und senden dabei Radiowellen aus. Die Intensität der Radiostrahlung ist ein Mass für die Stärke des gesamten Magnetfeldes. Ist ein Teil der Magnetfeldlinien gleich ausgerichtet, so ist die Radiostrahlung linear polarisiert. Die Polarisationsrichtung ist dabei zunächst senkrecht zur Magnetfeldrichtung, kann aber in Plasmawolken, die sich auf der Sichtlinie zwischen dem Teleskop und der Radioquelle befinden, gedreht werden (Faraday-Drehung). Diese Drehung ist bei Wellenlängen unterhalb von etwa 3 Zentimetern gering, nimmt aber bei größeren Wellenlängen stark zu. Generell bieten Radiowellen die beste Möglichkeit zum Nachweis von Magnetfeldern im Weltall.

Magnetfelder spielen bei fast allen Vorgängen im Weltall eine wichtige Rolle. Fast die gesamte im Weltall sichtbare Materie ist elektrisch geladen, so dass ihre Bewegung einerseits Magnetfelder erzeugt und sie andererseits durch solche Felder beeinflusst wird. Daher haben Magnetfelder grosse Bedeutung für viele Vorgänge im Kosmos. So wirken sie wesentlich an der Bildung von Sternen und Planeten mit und verursachen zum Beispiel auch die Sonnenaktivität. Pulsare, die bei Explosionen massereicher Sterne (Supernovae) zurückbleiben und in kurzen, regelmäßigen Abständen Radiopulse aussenden, sind magnetische Leuchttürme.

Die Magnetfelder erfüllen die gesamten Sternsysteme und finden sich selbst in weit entfernten Galaxien, die wir - wegen der Jahrmilliarden, die ihre elektromagnetische Strahlung für den Weg zur Erde braucht - in einem frühen Stadium ihrer Entwicklung beobachten. Ähnlich wie die sichtbare Materie bilden Magnetfelder 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" (reconnection) zerstört.

Wissenschaftler am Astrophysikalischen Institut in Potsdam und an der Staatsuniversität Moskau entwarfen bereits in den 70er Jahren Modelle zur Entstehung der Magnetfelder nach dem Dynamo-Prinzip, das auf den Elektrotechniker Werner von Siemens zurückgeht. 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 Dynamomodell beruhten, überall in der Scheibe grossräumig geordnete Magnetfelder ähnlich den bislang vorliegenden Beobachtungen. 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.

Das empfindlichste Instrument zum Nachweis polarisierter Radiostrahlung ist der 100-Meter-Radiospiegel bei Bad Münstereifel-Effelsberg. Seitdem dieses grösste voll bewegliche Teleskop der Welt vor mehr als 25 Jahren errichtet wurde, konnten die Wissenschaftler des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) damit in fast allen Galaxien Magnetfelder nachweisen. Obwohl deren Stärke nur rund ein hunderttausendstel Gauss beträgt (zum Vergleich: das irdische Magnetfeld hat 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 erzeugten Gesamtstrahlung steckt.

Trotz seiner enormen Grösse erreicht der Effelsberger Radiospiegel noch nicht einmal die Winkelauflösung des blossen menschlichen Auges (wenn auch mit unvorstellbar höherer Empfindlichkeit). Einzelne Spiralarme lassen sich damit nur in benachbarten Galaxien auseinanderhalten. Schärfere Bilder erfordern Beobachtungen bei kürzeren Wellenlängen, bei denen jedoch die Radiostrahlung immer schwächer wird und die Bewölkung immer mehr stört. Die Radioastronomen haben hier Abhilfe schaffen können: Zwei oder mehr Hornantennen in der Brennebene des Teleskops erlauben es, falls nötig, Störungen durch vorbeiziehende Wolken durch Differenzbildung zu beseitigen: Eine Wolke wird von beiden Hornantennen praktisch gleichzeitig "gesehen", die Radioquelle aber nur von einer Hornantenne. Seit Anfang 1996 steht ein neuer Doppelhorn-Empfänger für die Wellenlänge 6cm im 100-m-Teleskop zur Verfügung, dank modernster HEMT-Transistoren der empfindlichste Empfänger für kontinuierliche Radiostrahlung, der je am MPIfR Bonn gebaut wurde.

Die Andromeda-Galaxie (M31) ist die nächste Spiralgalaxie und die erste überhaupt, deren Radiostrahlung nachgewiesen wurde. Ihre Radiowellen stammen vor allem aus einem "Ring" in rund 30 000 Lichtjahren Abstand vom Zentrum. Dort befinden sich die Spiralarme mit Sternentstehungsgebieten und Überresten von Supernova-Explosionen, die Quellen der Kosmischen Strahlung. Das Magnetfeld im Ring wird durch einen gigantischen Dynamo aufgebaut, gespeist aus der Energie der Rotation der Galaxie.

Im August 1996 konnten wir in nur 25 Stunden Beobachtungszeit die bisher empfindlichste Radiokarte der Andromeda-Galaxie fertigstellen. Dabei wurde ein Gebiet von 2.5 x 1.2 Grad am Himmel zwölfmal in jeweils rund 2 Stunden streifenweise abgetastet und im Computer zu einem Bild zusammengesetzt. Die Winkelauflösung von 3 Bogenminuten entspricht etwa 2000 Lichtjahren in M31. Alle nicht mit M31 assoziierten Radioquellen wurden abgezogen. Abb.1 zeigt das innere Gebiet von 130' x 57' Ausdehnung. Die Farben geben unterschiedliche Intensitäten wieder: Blau für geringe, Rot für die stärkste Radiostrahlung. Die schwächste noch nachgewiesene Strahlung entspricht einer Leistung von nur einem Millionstel Nanowatt (10 hoch -15 Watt)! Im "Ring" von M31 gibt es viele helle Gebiete, zum grössten Teil Magnetfeld-Konzentrationen, die auf Gebiete aktiver Sternentstehung hinweisen. Auch das Kerngebiet von M31 ist eine Quelle starker Radiostrahlung, vermutlich angeregt durch Explosionsvorgänge in der Nähe des Zentrums.

Der Vergleich der neuen 6cm-Karte mit einer 11cm-Effelsberg-Karte aus dem Jahr 1976 erlaubte erstmals die Korrektur der Faraday- Drehung der Polarisationsrichtungen und somit die Bestimmung der Magnetfeldrichtungen in M31, in Abb.1 dargestellt als Striche. Die Galaxie besitzt ein grossräumig geordnetes Magnetfeld, das für Polarisationsgrade von stellenweise bis zu 50% verantwortlich ist. Die stärksten ausgerichteten Magnetfelder liegen im "Ring". Nach der Dynamo-Theorie sollten die Richtungen der Magnetfeldlinien um einen konstanten Betrag vom "Ring" abweichen. Abb.1 zeigt jedoch, dass dieser Anstellwinkel entlang des Ringes variiert. Neuere Dynamo-Modelle, die die Rückwirkung der Magnetfelder auf das Gas mit einbeziehen, zeigen, dass galaktische Dynamos ein ganzes Spektrum von stehenden Magnetwellen ("Moden") anregen. Einzelne Moden können sich teilweise in Resonanz mit galaktischen Dichtewellen befinden und werden so verstärkt.

Eine andere wichtige Entdeckung passt in dieses Bild: In einer Spiralgalaxie wurde ein magnetisches Spiralmuster entdeckt, das regelmässiger ist als das optische und dessen Arme zwischen denen im sichtbaren Spektralbereich liegen. Entscheidend für diese Entdeckung war eine wesentliche Verbesserung der Auflösung, indem wir hochempfindliche Beobachtungen des Radioteleskops Effelsberg mit neuen, hochauflösenden Daten des Radio-Interferometers "Very Large Array" (VLA) in Neu-Mexiko/USA bei der gleichen Wellenlänge kombinierten. Das VLA besteht aus 27 Einzelspiegeln von je 20 Metern Durchmesser auf drei Y-förmig angeordneten Schienen, auf denen 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 vom Magnetfeld einer Spiralgalaxie gelang (Abb.2). Die neuartigen magnetischen Spiralarme sind regelmässiger als die zerfransten optischen Arme und 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 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, eben eine Resonanz zwischen der Dichtewelle des Gases und der Dynamo-Welle des Magnetfeldes. Wir vermuten, dass Magnetfelder die Bildung von Spiralstrukturen erleichtern oder sogar überhaupt erst ermöglichen.

In einem weiteren wichtigen Punkt widerspricht unsere Entdeckung dem klassischen Dynamo-Modell. Diesem 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.

Mit dem VLA-Radiointerferometer lassen sich auch ausgewählte Gebiete in Galaxien mit hoher Auflösung beobachten. Daraus lernten wir, dass es noch kleinere Strukturen im Magnetfeld gibt: Winde von jungen Sternen (OB-Assoziationen) und Supernova-Explosionen blasen Löcher in das lokale Gas und Magnetfeld, während in kalten Gaswolken die Feldstärke erhöht ist. Selbst der geringe Ionisationsgrad des kalten interstellaren Gases reicht aus, um Magnetfeldlinien zu verankern. Magnetfelder in Gaswolken sind daher auch bei der Bildung neuer Sterne von zentraler Bedeutung.


MPIfR Homepage