Galaktische und Extragalaktische Radiokontinuumsstrahlung




Was ist überhaupt Radiokontinuumsstrahlung?

Von anderen Galaxien oder Galaxienhaufen empfangen wir Strahlung mit Teleskopen, wie dem 100m-Radioteleskop in Effelsberg in der Eifel, das vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn (MPIfR) betrieben wird.

Das 100-m Radioteleskop des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie Bonn. © N. Junkes

Verschiedene "Strahlungsarten" werden unter anderem durch ihre Wellenlänge unterschieden. Das elektromagnetische Spektrum zeigt, welche Wellenlängen es gibt. Das Teleskop spezialisiert sich auf elektromagnetische Strahlung mit großer Wellenlänge im Bereich von 3mm bis 21cm (früher wurden auch Empfänger für noch größere Wellenlängen eingebaut; zum Beispiel wurde bei 73cm Wellenlänge der gesamte Himmel kartiert).
Der Survey-Sampler ermöglicht es, sich Bilder von bestimmten Ausschnitten am Himmel aus verschiedenen Radiokarten selbst zusammenzustellen.

Den langwelligen Bereich des Spektrums nennt man Radiowellen (-oder strahlung). Bei den Radiowellen, aber auch bei anderen Wellen, unterscheidet man wiederum zwischen verschiedenen Quellen der Strahlungserzeugung:


Thermische Radiostrahlung im Plasma

Galaxien werden von einem sogenannten Plasma umgeben. Das ist eine Art vierter Aggregatzustand, der bei den extrem geringen Dichten im Kosmos bei Temperaturen von 5000 bis 20000 Kelvin auftritt. In ihm schwirren Elektronen und Ionen frei umher.

Thermische Radiostrahlung (frei-frei-Strahlung) entsteht, wenn Elektronen sich frei im Weltall bewegen. Dies geschieht in einem sogenannten Plasma, was ein anderer Ausdruck für ionisiertes Gas ist. Die Materie hat Temperaturen zwischen 5000 und 20000 Kelvin (0 Kelvin = -273 Grad Celsius) bei extrem geringer Dichte. In diesem Plasma bewegen Atome sich so schnell, dass Elektronen sich von den Atomen trennen. Dadurch entstehen positiv geladene Ionen (Kationen). Da die positiven Ionen und die negativen Elektronen sich natürlich immer noch anziehen, kann der Fall eintreten, dass Elektronen von ihrer normalen Flugbahn abgelenkt werden. Dabei muss das Elektron nicht unbedingt auf das Ion zufliegen, sondern wird nur auf einer hyperbolischen Bahn an ihm vorbeifliegen. Bei der Änderung der Bewegung des Elektrons, ausgelöst durch das Ion, wird eine Radiowelle erzeugt.

Ein Elektron wird von einem Ion (die Zeichnung zeigt als Beispiel ein Wasserstoff-Ion oder Proton) von seiner Bahn abgelenkt. Dabei entsteht eine Radiowelle. Bild vergrößern
Ein Elektron wird von einem Ion (die Zeichnung zeigt als Beispiel ein Wasserstoff-Ion oder Proton) von seiner Bahn abgelenkt. Dabei entsteht eine Radiowelle.

Synchrotronstrahlung

Die andere mögliche Strahlungsquelle wird in Magnetfeldern erzeugt. Auch hier werden Elektronen von ihrer Kreisbahn abgelenkt. Diese Art der Radiostrahlung nennt man Synchrotronstrahlung.

Wie wird Synchrotonstrahlung erzeugt?

Synchrotonstrahlung entsteht immer dann, wenn Elektronen mit einer Geschwindigkeit von nahezu Lichtgeschwindigkeit in ein Magnetfeld treffen. In der Radioastronomie konzentriert man sich auf die Magnetfelder von Supernova-Überresten oder von ganzen Galaxien. Durch die Lorentzkraft wird ein Elektron, das sich eigentlich auf einer geraden Bahn bewegt, auf eine Kreisbahn gebracht. Hierbei treten Energieverluste auf, die in Form von Radiowellen ausgestrahlt werden.

Elektronen werden von interstellaren (lat. inter; stella) Magnetfeldern auf eine Kreisbahn gelenkt. <br />Abbildung nach A. Unsöld B. Baschek: Der Neue Kosmos, 4. Auflage, Springer-Verlag 1988, S.331
Elektronen werden von interstellaren (lat. inter; stella) Magnetfeldern auf eine Kreisbahn gelenkt.
Abbildung nach A. Unsöld B. Baschek: Der Neue Kosmos, 4. Auflage, Springer-Verlag 1988, S.331

Warum wird nichtthermische Strahlung Synchrotonstrahlung genannt?

Der Name Synchrotonstrahlung stammt daher, dass in Teilchenbeschleunigern auf der Erde die gleiche Art von Strahlung erzeugt wird. In diesen Beschleunigern (auch Synchrotons genannt), werden Elektronen in Kreisbahnen auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.

Astronomische Quellen der nichtthermischen Strahlung

Dies ist ein Bild der NGC6946, einer Spiralgalaxie im Schwan 15 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Sie liegt in einem Winkel von 12 Grad (20 Millionen Lichtjahre) vom galaktischen Equator entfernt. Die Aufnahme wurde mit dem 100m-Radioteleskop in Effelsberg und dem Very Large Array (VLA) bei einer Frequenz von 4,8 GHz erstellt. Bild vergrößern
Dies ist ein Bild der NGC6946, einer Spiralgalaxie im Schwan 15 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Sie liegt in einem Winkel von 12 Grad (20 Millionen Lichtjahre) vom galaktischen Equator entfernt. Die Aufnahme wurde mit dem 100m-Radioteleskop in Effelsberg und dem Very Large Array (VLA) bei einer Frequenz von 4,8 GHz erstellt.

Zu den nichtthermische Quellen zählen Quasare, Radiogalaxien und explodierende Sterne (Supernovae und Supernovaüberreste); demgegenüber gehören die Sonne ebenso wie heisse Gaswolken in der Umgebung junger Sterne zu den thermischen Quellen. Nichtthermische Radiostrahlung wird in Magnetfeldern von Galaxien ausgestrahlt. Man kann diese Magnetfelder am besten durch Radioteleskope nachweisen. In dem folgenden Radiobild werden die Magnetfelder durch die schwarzen Striche gekennzeichnet. Sie werden durch die Polarisation der Radiostrahlung nachgewiesen.

Wer hat die Synchrotonstrahlung erforscht?

Die Entdecker der Synchrotonstrahlung heißen H. Alfvén und N. Herlofson. Ihre Theorie wurde dann von I. S. Shklovsky, V. L. Ginzburg und J. H. Oort weiterentwickelt. Die Erforschung dieser Strahlung wird am MPI für Radioastronomie in Bonn unter anderem von Rainer Beck und Marita Krause (mit dem Spezialgebiet: Magnetfelder in Galaxienhaufen), Elly Berkhuijsen und Richard Wielebinski (als zuständiger Direktor für die Gruppe Radiokontinuumsstrahlung - seit 2004 emeritiert) durchgeführt. Desweiteren gehört das Thema Pulsare zum Arbeitsbereich der Gruppe. Untersuchungen der Radiostrahlung unserer Milchstraße werden u.a. von Wolfgang + Patricia Reich und Ernst Fürst durchgeführt. Dazu gehören Supernova-Überreste und andere Quellen mit Magnetfeldern in unserer Galaxis. Über die Arbeiten dieser Gruppe wurden sogar zwei Briefmarken veröffentlicht. Auf einer wird das Sternbild des Schwans abgebildet und die andere zeigt Magnetfelder in der 2,3 Millionen Lichtjahre entfernten Nachbargalaxie, dem Andromeda-Nebel.

Synchrotonstrahlung aus Radiogalaxien

Synchrotonstrahlung kann von Radiogalaxien (RG) ausgestrahlt werden. Die Ausdehnung einiger Radiogalaxien kann bis zu 6Mpc (Mpc=Megaparsec; 1 parsec=3.26 Lichtjahre=3.086×1016m) betragen, manche hingegen (M87) erstrecken sich nur über einige Kiloparsec. Im Folgenden als Beispiel ein Bild der Radiostrahlung von Cygnus A, gleichzeitig auch die zweitstärkste Radioquelle am Himmel.

Wie unterscheiden Wissenschaftler diese verschiedenen Strahlungsarten?

Abhängigkeit der Strahlungsintensität bei Synchrotron (nichtthermischer)-und thermischer Plasmastrahlung (frei-frei) (Abb. nach Die phantastische Welt der Radioastronomie S.26 von Gerrit L. Verschuur, Birkhäuser Verlag) Bild vergrößern
Abhängigkeit der Strahlungsintensität bei Synchrotron (nichtthermischer)-und thermischer Plasmastrahlung (frei-frei) (Abb. nach Die phantastische Welt der Radioastronomie S.26 von Gerrit L. Verschuur, Birkhäuser Verlag)

Ein Radioteleskop kann zwischen polarisierten (Synchrotronstrahlung) und nicht polarisierten Wellen (thermische Radiostrahlung im Plasma) unterscheiden (Polarisation von Radiowellen). Aufgrund von Forschungsergebnissen hat man eine Abhängigkeit von Strahlungsintensität und Wellenlänge gefunden.

Eine Synchrotronquelle wird bei längeren Wellenlängen heller, während die Helligkeit einer thermischen Quelle zu längeren Wellenlängen hin abnimmt. In aller Regel genügt es, die Helligkeit einer Quelle bei einigen wenigen Wellenlängen zu ermitteln, um sie in die eine oder die andere Gruppe einordnen zu können. Wenn man die Art der Strahlungserzeugung kennt, dann lassen sich auch weitere physikalische Bedingungen wie Temperatur, Dichte und Magnetfeldstärke aus den Beobachtungen ableiten.

Polarisation von Wellen

Polarisation von Wellen (Abb. nach Lexikon der Astronomie, Band 2, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, S. 122) Bild vergrößern
Polarisation von Wellen (Abb. nach Lexikon der Astronomie, Band 2, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, S. 122)

Elektromagnetische Wellen schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Diese kann natürlich in unendlich viele Richtung erfolgen. Als Beispiel werden in der folgenden Zeichnung zur Vereinfachung nur die senkrechten und waagerechten Komponenten der Welle dargestellt. Wenn nun das Licht (oder irgendeine andere elektromagnetische Welle) polarisiert wird, dann schwingt es nur noch in eine bestimmte Richtung. Durch ein Magnetfeld werden Wellen polarisiert und schwingen dann alle in die gleiche Richtung. Dies kann mit Hilfe einer Antenne oder einem Teleskop nachgewiesen werden.

Diese Informationen wurden zusammengestellt von Michael Weber, Beethoven Gymnasium Bonn,
unter der Anleitung von Dr. Norbert Junkes.

ur 3/2013

 
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