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    Gigantische magnetische Schleifen im Außenbereich eines fernen Sternsystems

    Erstmalige Entdeckung eines gleichförmigen Magnetfelds mit Feldumkehrungen im Halo der Spiralgalaxie NGC 4631

    26. November 2019

    Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Wissenschaftlerinnen des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie hat polarisierte Radiostrahlung der Galaxie NGC 4631 am US-amerikanischen VLA-Radioteleskop mit einem Breitbandempfänger in unterschiedlichen Spektralfenstern untersucht. Die Forscher konnten erstmals ein gleichförmiges Magnetfeld über Skalen von einigen Tausend Lichtjahren im äußeren Halobereich dieser Galaxie nachweisen. Darüber hinaus entdeckten sie Umkehrungen im großräumigen Magnetfeld dieser Galaxie in Form von gigantischen magnetischen Schleifen. Mit dieser Entdeckung wird die Bedeutung von großräumig wirkenden Dynamos zur Entstehung regulärer Magnetfelder in Spiralgalaxien unterstrichen. Die gleichförmigen Magnetfelder im Halobereich könnten auch eine Verbindung zu intergalaktischen Magnetfeldern darstellen und dabei helfen, das Rätsel ihres Ursprungs aufzuklären.

    Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.
    Die Spiralgalaxie NGC 4631 ist von der Kante aus sichtbar. Die Galaxienscheibe mit einer Vielzahl von Sternen ist in Rosa dargestellt. Die Struktur des Magnetfelds, veranschaulicht durch haarähnliche Linien in Blau und in Grün, erstreckt sich über die Scheibe hinaus in den ausgedehnten Halo der Galaxie. In grünen Bereichen zeigt das Magnetfeld auf den Betrachter zu, in den blauen Bereichen von ihn weg. Dieser wiederholte großräumige Wechsel der Magnetfeldrichtung ist noch nie zuvor im Halo einer Galaxie beobachtet worden. Bild vergrößern

    Die Spiralgalaxie NGC 4631 ist von der Kante aus sichtbar. Die Galaxienscheibe mit einer Vielzahl von Sternen ist in Rosa dargestellt. Die Struktur des Magnetfelds, veranschaulicht durch haarähnliche Linien in Blau und in Grün, erstreckt sich über die Scheibe hinaus in den ausgedehnten Halo der Galaxie. In grünen Bereichen zeigt das Magnetfeld auf den Betrachter zu, in den blauen Bereichen von ihn weg. Dieser wiederholte großräumige Wechsel der Magnetfeldrichtung ist noch nie zuvor im Halo einer Galaxie beobachtet worden.

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    NGC 4631, aufgrund ihrer optischen Erscheinungsform auch „Walgalaxie“ genannt, liegt in einer Entfernung von 25 Millionen Lichtjahren von der Erde in Richtung des Sternbilds Jagdhunde (Canes Venatici). Mit einem Durchmesser von ca. 80.000 Lichtjahren ist sie etwas kleiner als unsere Milchstraße. Diese Galaxie wurde von dem berühmten deutsch-britischen Astronomen Sir William Herschel im Jahr 1787 entdeckt. Sie hat eine wesentlich kleinere elliptische Galaxie, NGC 4627, als Begleiter.

    Beobachtungen der polarisierten Radiostrahlung von NGC 4631 mit dem Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) zeigen gleichförmige Magnetfelder, die sich bis weit ober- und unterhalb der Galaxienscheibe erstrecken (Abb. 1).

    „Zum ersten Mal haben wir den Nachweis eines großskaligen zusammenhängenden Magnetfelds weit draußen im Halo einer Spiralgalaxie mit gleichgerichteten Feldlinien über eine Größenordnung von Tausenden von Lichtjahren. Wir sehen sogar ein regelmäßiges Muster bei der Umkehr des Magnetfelds im Halo“, sagt Marita Krause, Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn und Ansprechpartnerin für die vorliegende Veröffentlichung.

    Die abgeleitete Feldstärke von vier Mikrogauß für das Magnetfeld im Halo ist überraschend hoch; sie ist vergleichbar mit der Feldstärke regulärer Magnetfelder in den Scheiben von Galaxien.

    Für ein internationales Team von Astronomen als Teil des Forschungsprojekts „Continuum HAlos in Nearby Galaxies -- an EVLA Survey“ (CHANG-ES) deutet das Bild auf ein großskaliges zusammenhängendes Magnetfeld hin, das durch einen Dynamoeffekt innerhalb der Galaxie verstärkt wird und in der Form von gigantischen magnetischen Schleifen weit senkrecht über die Galaxienscheibe hinausragt. Das CHANG-ES-Projekt wird von Judith Irwin von der Queens-Universität in Ontario (Kanada) geleitet; sie ist auch Ko-autorin der Veröffentlichung.

     „Im Moment kommt es mir so vor wie im Gleichnis von den blinden Männern und dem Elefanten. Bei jedem Versuch, das Magnetfeld auf unterschiedliche Weise zu verstehen, kommen wir zu einem anderen Schluss über seine physikalische Natur. Unsere Modelle deuten aber darauf hin, dass die Magnetfeldlinien konusförmig verdrillt von den Spiralarmen aufsteigen“, sagt Richard Henriksen, ebenfalls von der Queens-Universität und Ko-autor der Veröffentlichung.

    Die Ergebnisse wurden durch die Kombination von Radiobeobachtungen mit dem VLA in unterschiedlichen Konfigurationen erzielt, um gleichzeitig großskalige Strukturen und feine Details innerhalb von NGC 4631 abbilden zu können. Die Analyse der beobachteten Radiostrahlung der Galaxie zeigt die sowohl die Stärke der Magnetfelder als auch deren Ausrichtung.

    Die Forscher verfügen nun über eine Technik zur Bestimmung von Magnetfeldlinien, die auch auf andere Galaxien angewandt werden kann, um herauszufinden, ob solche zusammenhängenden Magnetfelder in den Halos von Galaxien den Normalfall bilden, und in welcher Gestalt sie auftreten.

    Diese ausgedehnten Magnetfelder im Halo dürften auch ein Bindeglied zu intergalaktischen Magnetfeldern darstellen und so dazu beitragen, deren Ursprung zu verstehen, der bisher noch rätselhaft ist.

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    CHANG-ES („Continuum Halos in Nearby Galaxies, an EVLA Survey”) ist ein Projekt, in dem ein weltweites Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mit Radiobeobachtungen das Vorkommen und den Ursprung von Halos in Galaxien untersucht.

    Als „Halo“ bezeichnet man den ausgedehnten kugelförmigen Bereich um die Scheibe von Spiralgalaxien. Er stellt ein Bindeglied dar zwischen den gut untersuchten Galaxienscheiben und dem intergalaktischen Medium.

    Das „National Radio Astronomy Observatory“ (NRAO) ist eine Einrichtung der amerikanischen „National Science Foundation“ (NSF) und wird unter einem Kooperationsvertrag von der „Associated Universities, Inc.“ betrieben. Das „Karl G. Jansky Very Large Array“ (VLA) Interferometer in der Nähe von Socorro (New Mexico, USA) gehört zum NRAO.

    Die Autoren der Originalveröffentlichung sind Silvia Carolina Mora-Partiarroyo, Marita Krause, Aritra Basu, Rainer Beck, Theresa Wiegert, Judith Irwin, Richard Henriksen, Yelena Stein, Carlos J. Vargas, Volker Heesen, René A. M. Walterbos, Richard J. Rand, George Heald, Jiangtao Li, Patrick Kamieneski, und Jayanne English. Die ersten vier Autoren haben alle eine Affiliation zum MPIfR in Bonn.

    Die vorgestellten Ergebnisse basieren auf der Dissertation von Silvia Carolina Mora-Partiarroyo, der Erstautorin, am MPIfR und der Universität Bonn. Ihre Promotion wurde von Marita Krause betreut.

    Ein theoretisches Modell dazu wurde von Woodfinden et al. (2019 MNRAS, 487, 1498) präsentiert.

     

     
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