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Originalveröffentlichung

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Magnetfelder in einer Entfernung von fünf Milliarden Lichtjahren entdeckt

Astronomen erhalten Hinweise zur Lösung des Rätsels der Entstehung von kosmischen Magnetfeldern

25. August 2017

Magnetfelder spielen eine wichtige Rolle bei der Erforschung der Physik des interstellaren Mediums in Galaxien. Es ist allerdings sehr schwierig, Magnetfelder im frühen Universum, was großen Entfernungen entspricht, nachzuweisen. Einem internationalen Forscherteam unter der Leitung von Sui Ann Mao vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie ist es gelungen, das Magnetfeld in einer weit entfernten Galaxie zu vermessen. Die gemessene Rotverschiebung von 0,439 entspricht einer Distanz von 4,6 Milliarden Lichtjahren. Diese Galaxie wirkt als Gravitationslinse in dem Gravitationslinsensystem CLASS B1152+199 und ist die momentan am weitesten entfernte Galaxie, in der ein zusammenhängendes Magnetfeld beobachtet wurde. Die Messungen ermöglichen neue Einsichten in Ursprung und Entwicklung von Magnetfeldern im Universum.

Die Forschungsergebnisse werden am 28. August in Nature Astronomy (Advanced Online Publication) veröffentlicht.

<p class="Body"><strong>Abb. 1: </strong><strong><em>Links</em></strong><em>: 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. <strong>Rechts</strong>: Wirkung der Faraday-Rotation auf 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.  </em></p> Bild vergrößern

Abb. 1: 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: Wirkung der Faraday-Rotation auf 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. 

[weniger]

Durch Beobachtungen einer gewaltigen kosmischen Linse mit dem amerikanischen „Very Large Array“-Radioteleskop ist es einem Team von Astronomen gelungen, zusammenhängende Magnetfeldstrukturen in einer Galaxie in knapp fünf Milliarden Lichtjahren Entfernung nachzuweisen. Die Daten geben neue Anhaltspunkte zur Klärung eines wesentlichen Aspekts der Kosmologie: Ursprung und Beschaffenheit von kosmischen Magnetfeldern, die eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Galaxien spielen.

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<p><strong>Abb. 2: </strong><em>Schematische Darstellung des Gravitationslinsensystems.</em><em>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 Magnetfelder und Gasstrukturen in der als Gravitationslinse wirkenden Galaxie. </em></p>
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Abb. 2: 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 Magnetfelder und Gasstrukturen in der als Gravitationslinse wirkenden Galaxie.

[weniger]

Wenn ein Hintergrundquasar in großer Entfernung und eine etwas nähergelegene Vordergrundgalaxie direkt hintereinander in der Sichtlinie stehen wie im Fall des Systems CLASS B1152+199, kann der Lichtweg des weiter entfernten Quasars durch den Gravitationslinseneffekt der  Vordergrundgalaxie so gekrümmt werden, dass zwei separate Bilder des Quasars von der Erde aus zu sehen sind. Da die Strahlung des Quasars unterschiedliche Bereiche der als Gravitationslinse wirkenden Galaxie passiert, wird es möglich, Magnetfelder in einer Galaxie zu untersuchen, die wir sonst gar nicht erfassen könnten. Das Forscherteam hat eine spezielle Eigenschaft der gemessenen Radiowellen ausgewertet, die als Polarisation bezeichnet wird und die durch das Magnetfeld der Vordergrundgalaxie verändert wird. Die Astronomen haben speziell diese Veränderung, den sogenannten Faraday-Effekt, in den beiden unterschiedlichen Bildern des Hintergrundquasars vermessen und konnten so zeigen, dass die als Gravitationslinse wirkende Galaxie über ein großskaliges zusammenhängendes Magnetfeld verfügt.

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.“

Trotz großer Fortschritte im Bereich der Kosmologie ist es nach wie vor ein Rätsel, wie der Magnetismus im Universum entstanden ist. Die ursprünglich sehr schwachen Magnetfelder ähneln in keiner Weise denjenigen, die wir in den heutigen Galaxien beobachten. Dynamo-Prozesse im turbulenten interstellaren Gas verstärkten sie und ordneten sie um. Die Beschreibung, wie der Dynamo großskalige Strukturen im Magnetfeld aufbaut, ist ebenfalls 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“, bemerkt sie abschließend.

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Das „National Radio Astronomy Observatory“ ist eine Einrichtung der „National Science Foundation”, und wird von der „Associated Universities, Inc. betrieben”

Das „Hubble Legacy Archive” wird in Zusammenarbeit von  „Space Telescope Science Institute” (STScI/NASA), „Space Telescope European Coordinating Facility” (ST-ECF/ESA) und dem kanadischen „Astronomy Data Centre” (CADC/NRC/CSA) betrieben.

Das Forscherteam besteht aus Sui Ann Mao, der Erstautorin, sowie Chris Carilli, Bryan M. Gaensler, Olaf Wucknitz, Charles Keeton, Aritra Basu, Rainer Beck, Philipp P. Kronberg und Ellen Zweibel

Sui Ann Mao ist Leiterin der Minerva-Forschungsgruppe „Kosmischer Magnetismus” am Max-Planck-Institut für Radioastronomie. 

 

 
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