Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Das Magnetfeld der Milchstraße spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung unserer Galaxie, wobei man allerdings noch sehr wenig über seine Struktur auf kleinen Größenskalen weiß. Es ist bisher auch noch nicht bekannt, ob es sich in den Halo der Milchstraße fortsetzt oder nicht. Über die Beobachtung von Pulsaren im Kugelsternhaufen 47 Tuc im galaktischen Halo gelang es einem internationalen Forscherteam unter der Leitung von Federico Abbate vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie zum ersten Mal, das galaktische Magnetfeld auf der Skala von wenigen Lichtjahren zu untersuchen. Das Projekt wurde an der Universität von Mailand Bicocca und dem INAF-Observatorium in Cagliari begonnen. Die Wissenschaftler finden ein unerwartet starkes Magnetfeld in Richtung des Kugelsternhaufens. Die Ausrichtung des Magnetfelds ist senkrecht zur Ebene der Milchstraße und könnte durch eine Wechselwirkung mit einem galaktischen Wind erklärt werden. Das ist ein magnetisierter Ausfluss von der galaktischen Scheibe in den umgebenden Halo, dessen Existenz bisher nicht direkt nachgewiesen werden konnte.

Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht.

47 Tucanae oder 47 Tuc, wie er abgekürzt genannt wird, ist ein schon mit bloßem Auge sichtbarer eindrucksvoller Kugelsternhaufen im Sternbild “Tukan”, recht nahe in Richtung der Kleinen Magellanischen Wolke am Südhimmel. Der erste Pulsar darin wurde bereits im Jahr 1990 mit dem Parkes-64m-Radioteleskop in Australien entdeckt, und bald danach wurden weitere Pulsare mit dem gleichen Teleskop nachgewiesen. Insgesamt kennt man zur Zeit 25 Pulsare in 47 Tuc. Aus diesem Grund ist dieser gut erforschte Kugelsternhaufen ein sehr wichtiges Forschungsobjekt für Pulsarastronomen.

Pulsare sind Quellen mit periodischem Signal, mit dem die Astronomen das sogenannte Dispersionsmaß bestimmen können, nämlich die Verzögerung in der Ankunftszeit der Einzelpulse bei unterschiedlichen Frequenzen. Diese Verzögerung ist proportional zur Dichte der freien Elektronen auf der Sichtlinie zwischen Pulsar und Erde. “Bereits im Jahr 2001 ist uns aufgefallen, dass die Pulsare auf der rückwärtigen Seite des Kugelsternhaufens ein höheres Dispersionsmaß zeigten als diejenigen auf der Vorderseite. Das ist ein direkter Hinweis auf die Existenz von Gas in 47 Tuc”, sagt Paulo Freire vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie, der Projektleiter für eine Reihe von Pulsarmessungen in 47 Tuc.

Was 47 Tuc sogar noch interessanter macht, ist seine Entfernung von ca. 15.000 Lichtjahren, die ihn in einen relativ ungestörten Bereich des Halos unserer Milchstraße positioniert. Der Halo umgibt die galaktische Scheibe und enthält nur wenige Sterne und auch sehr wenig Gas. “Die Pulsare in diesem Kugelsternhaufen ermöglichen uns einen einzigartigen und bisher nicht gekannten Einblick in die großskalige Struktur des Magnetfelds im galaktischen Halo”, sagt Federico Abbate, Erstautor der Veröffentlichung und Mitarbeiter am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), der die Datenanalyse als Teil seiner Doktorarbeit an der Universität von Mailand Bicocca und am INAF-Observatorium Cagliari durchgeführt hat.

Die Kenntnis von Struktur und Stärke des galaktischen Magnetfelds ist ausschlaggebend für ein vollständiges Bild unserer Milchstraße. Kosmische Magnetfelder beeinflussen die Sternentstehung, regulieren die Ausbreitung von hochenergetischer Teilchenstrahlung und helfen dabei, die Existenz von Gasausflüssen von der Scheibe der Milchstraße in den umgebenden Halo zu bestätigen. Trotz ihrer Bedeutung ist der großskalige Verlauf von Magnetfeldern im Halo bis jetzt nicht vollständig bekannt.

Magnetfelder können normalerweise nicht direkt beobachtet werden. Statt dessen nutzen Wissenschaftler ihre Wirkung auf Plasma von geringer Dichte in der galaktischen Scheibe. Im Plasma sind Elektronen von Atomkernen getrennt und sie wirken wie winzige Magnete. Die Elektronen werden vom Magnetfeld angezogen und in Umlaufbahnen um die magnetischen Feldlinien gezwungen. Dabei wird langwellige elektromagnetische Strahlung, sogenannte Synchrotronstrahlung, emittiert. Neben der direkt ausgesandten Strahlung beeinflussen freie Elektronen im Plasma auch die Ausrichtung der durchgehenden polarisierten Strahlung. Das elektromagnetische Feld von polarisierten Radiowellen schwingt jeweils in der gleichen Ebene. Die Richtung wird von Elektronen in einem magnetischen Medium frequenzabhängig verändert. Dieser als Faraday-Rotation bekannte Effekt ist in Radiowellen messbar.

Messungen der polarisierten Radiostrahlung sind für das Magnetfeld in der galaktischen Scheibe gut anwendbar, weil die Dichte des Plasmas groß genug ist. Im galaktischen Halo hingegen ist die Plasmadichte für einen direkten Nachweis zu gering. Aus diesem Grund war es bisher nicht möglich, Ausrichtung und Stärke des Magnetfelds im Halo zu bestimmen und Modellvorhersagen ließen keine Unterscheidung zwischen paralleler oder senkrechter Ausrichtung zur galaktischen Scheibe zu. Auf das Vorhandensein eines magnetischen Ausflusses von der Scheibe aus in den Halo wurde nur indirekt aus dem Vergleich mit anderen Galaxien geschlossen. Dadurch könnte dann auch die diffuse Röntgenstrahlung in der Milchstraße erklärt werden.

Neuere Beobachtungen der Pulsare in 47 Tuc, ebenfalls mit dem Parkes-Radioteleskop, ermöglichten die Bestimmung der polarisierten Radiostrahlung der Pulsare und ihrer Faraday-Rotation. Daraus lässt sich ein überraschend starkes Magnetfeld in dem Kugelsternhaufen ableiten. Es ist tatsächlich so stark, dass es nicht in 47 Tuc selbst erzeugt sein kann, sondern eine externe Quelle im galaktischen Halo erfordert. Die Ausrichtung des Magnetfelds ist vereinbar mit einem galaktischen Wind senkrecht zur galaktischen Scheibe. Die Wechselwirkung dieses galaktischen Winds mit dem Kugelsternhaufen würde eine Stoßwelle erzeugen, die das Magnetfeld auf die beobachteten Werte verstärkt.

Hieraus ergibt sich eine neue Beobachtungstechnik, um Magnetfelder im Halo der Milchstraße zu untersuchen. Der Kugelsternhaufen 47 Tuc ist ein hervorragendes Zielobjekt für Beobachtungen mit dem neuartigen MeerKAT-Radioteleskop in Südafrika. “Bereits in naher Zukunft wird das MeerKAT-Teleskop die Polarisationsbeobachtungen deutlich verbessern und nicht nur die Existenz des galaktischen Winds bestätigen, sondern auch Messzahlen für seine Eigenschaften liefern”, sagt Andrea Possenti vom INAF-Observatorium Cagliari, der am Pulsar-Beobachtungsprojekt mit MeerKAT zusammen mit dem MPIfR beteiligt ist. Darüber hinaus ist dieses Radioteleskop, insbesondere mit der zukünftigen Weiterentwicklung zum Square Kilometre Array (SKA), empfindlich genug, um auch weitere Kugelsternhaufen im galaktischen Halo zu untersuchen und die Ergebnisse zu bestätigen.

Das Forscherteam umfasst Federico Abbate, Andrea Possenti, Caterina Tiburzi, Ewan Barr, Willem van Straten, Alessandro Ridolfi und Paulo Freire. Der Erstautor, Federico Abbate, ist aktuell Mitarbeiter am MPIfR, ebenso die Ko-Autoren Ewan Barr und Paulo Freire.

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Der Beitrag Kugelsternhaufen flattern im galaktischen Wind erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESO.

Bei einem Kugelsternhaufen handelt es sich um eine Ansammlung von Sternen, welche durch Gravitationskräfte auf engstem Raum aneinander gebunden sind. Diese kugelförmigen Sternansammlungen verfügen typischerweise über Durchmesser von mehreren Dutzend Lichtjahren und beherbergen teilweise deutlich mehr als 100.000 Sterne. Diese Sternhaufen sind dabei wiederum gravitativ an Galaxien gebunden, in deren Halo sie sich bewegen.

Bisher konnten Astronomen in der Umgebung unserer Heimatgalaxie mehr als 150 solcher Kugelsternhaufen entdecken, welche viele der ältesten bekannten Sterne unserer Galaxie beherbergen. Die meisten dieser die Milchstraße umkreisenden Kugelsternhaufen befinden sich von unserem Sonnensystem aus gesehen in Richtung der zentralen Verdickung der Milchstraßenscheibe.

Größere und entsprechend massereichere Galaxien können allerdings von noch deutlich mehr Kugelsternhaufen umkreist werden. Aus der Umgebung der Andromedagalaxie – auch bekannt unter der Bezeichnung Messier 31 – sind so zum Beispiel mehr als 500 dieser Sternhaufen bekannt. Die im Sternbild Jungfrau (lateinischer Name „Virgo“) gelegenen Galaxie Messier 87 wird anscheinend sogar von bis zu 12.000 solcher Kugelsternhaufen umkreist.

Die Beobachtungen der Astronomen zeigen, dass sich die in einem Kugelsternhaufen konzentrierten Sterne alle zur gleichen Zeit und aus der gleichen Ansammlung von interstellaren Materiewolken gebildet haben. Allgemein geschah dies bereits vor üblicherweise etwa 12 bis 13 Milliarden Jahren. Dies datiert die Entstehungsphase dieser Sternhaufen in ein kosmisches Zeitalter, in dem seit dem Urknall, welcher sich vor etwa 13,7 Milliarden Jahren ereignete, erst wenige hundert Millionen Jahre vergangen waren.

Auffällig ist bei Kugelsternhaufen, dass diese nur relativ wenig Gas und Staub enthalten. Allgemein wird davon ausgegangen, dass alles nicht bei der Sternentstehung verbrauchte Material in der Folgezeit entweder durch starke Sternwinde und durch Supernovaexplosionen aus dem Haufen herausgeblasen oder durch gravitative Wechselwirkungen des Sternhaufens mit interstellarer Materie aus diesem herausgerissen wurde. Aus diesem Grund stellen Kugelsternhaufen für Astronomen besonders interessante Beobachtungsobjekte dar.

Der Kugelsternhaufen 47 Tucanae

Ein besonders beeindruckendes Exemplar eines Kugelsternhaufens ist der Haufen 47 Tucanae. Bei diesem Sternhaufen, welcher auch unter der Bezeichnung NGC 104 bekannt ist, handelt es sich um einen besonders großer und alter Kugelsternhaufen, welcher sich in einer Entfernung von rund 15.000 Lichtjahren zu unserem Sonnensystem in dem südlichen Sternbild Tucana (zu deutsch „Tukan“) befindet.

47 Tucanae verfügt über einen Durchmesser von rund 120 Lichtjahren und ist deshalb trotz seiner großen Entfernung bereits mit dem bloßem Auge am Himmel sichtbar, wobei er sich dem irdischen Betrachter mit einer scheinbaren Helligkeit von 4,9 mag präsentiert und in etwa die gleiche Fläche wie der Vollmond einnimmt. Nach dem Haufen Omega Centauri handelt es sich bei 47 Tucanae um den zweitmassereichsten Kugelsternhaufen im Halo unserer Heimatgalaxie. Er setzt sich aus mehreren Millionen Sternen zusammen und ist einer der hellsten und zugleich massereichsten Kugelsternhaufen überhaupt.

In seinem Zentrum befinden sich viele ungewöhnliche und somit für Astronomen und Astrophysiker besonders interessante Sternsysteme. Bei einigen dieser Sterne handelt es sich um starke Röntgenquellen, aber auch Rote Riesen, diverse veränderliche Sterne und sogenannte „Vampirsterne“, welche Material aus ihrer Umgebung abziehen oder Blaue Nachzügler sind dort vertreten.

Hierzu gesellen sich des weiteren noch diverse Millisekundenpulsare. Hierbei handelt es sich um eine besonders schnell rotierende Version der „normalen“ Pulsare, welche wiederum die Überreste längst vergangener Sterne darstellen. Sie verfügen über ein starkes Magnetfeld und senden während ihrer Rotation eine starke Strahlung aus, welche unseren Heimatplaneten in Form von Pulsen erreicht. Derzeit sind den Astronomen 23 Millisekundenpulsare bekannt, die sich innerhalb von in 47 Tucanae befinden.

Im Rahmen einer Studie, mit welcher kürzlich die Umgebung der Magellanschen Wolken – zweier Zwerggalaxien in unmittelbarer Nähe zu unserer Heimatgalaxie – untersucht wurde, gelangte auch der Kugelsternhaufen 47 Tucanae in den Aufnahmebereich des VISTA-Teleskops der Europäischen Südsternwarte (ESO).

VISTA – dieses Acronym steht für „Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy“ – ist das derzeit größte Teleskop auf unserem Heimatplaneten, welches sich ausschließlich der systematischen Durchmusterung des Nachthimmels widmet. Das Infrarotteleskop befindet sich am Paranal-Observatorium der ESO in Chile und zeigt den südlichen Sternhimmel dank seines großen Hauptspiegels (Durchmesser 4,1 Meter), einem großem Gesichtsfeld und einer hochempfindlichen Kamera mit hohem Lichtsammelvermögen in einem völlig neuen Licht.

Die Aufnahme des Kugelsternhaufens ist besonders scharf und zeigt auch sehr lichtschwache Sterne. Rote Riesensterne, welche den für die Kernfusion zur Verfügung stehenden Brennstoff bereits verbraucht haben und sich daraufhin stark ausgedehnt haben, sind über die gesamte VISTA-Aufnahme verteilt und anhand ihrer tieforangen Farbe, welche sich deutlich von dem hellen weißgelben Leuchten der Hintergrundsterne unterschiedet, leicht auszumachen. Der dichte Kernbereich des Kugelsternhaufens steht in einem starken Kontrast zu seinen dünn besiedelten Außenbereichen. Im Hintergrund sind außerdem die unzähligen Sterne der Kleinen Magellanschen Wolke erkennbar.

Die Untersuchung der im Kugelsternhaufen 47 Tucanae befindlichen kosmischen Objekte könnte den Astronomen dabei helfen zu verstehen, wie sich diese bilden und wie sie miteinander interagieren.

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