Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Superblasen, Riesenschleifen und X-förmige Magnetfeldstrukturen – diese Galaxie hat einen wahren Formenreichtum zu bieten. Wie solche Strukturen zustande kommen, ist ein Rätsel. Hinweise liefert eine neue Studie im Rahmen des CHANG-ES Projekts („Continuum HAlos in Nearby Galaxies — an EVLA Survey”) unter der Leitung von Yelena Stein, an der mit Rainer Beck auch ein Wissenschaftler des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) beteiligt ist. Für ein umfassendes Bild der Magnetfeldstrukturen kombinierten die Forscherinnen und Forscher unterschiedliche Methoden, mit denen sie die geordneten und die chaotischen Magnetfelder der Galaxie sowohl entlang der Sichtlinie als auch senkrecht dazu sichtbar machen konnten.

Die Ergebnisse werden in der aktuellen Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Spiralgalaxien wie unsere Milchstraße können weit ausgedehnte Magnetfelder besitzen. Zu ihrer Entstehung gibt es verschiedene Theorien, bislang ist sie aber nicht genau verstanden. Ein internationales Forscherteam hat nun das Magnetfeld der milchstraßenähnlichen Galaxie NGC 4217 detailliert auf der Basis radioastronomischer Beobachtungen analysiert und zuvor nicht bekannte Magnetfeldstrukturen entdeckt. Die Daten weisen darauf hin, dass Sternentstehung und Sternexplosionen, sogenannte Supernovae, verantwortlich für die sichtbaren Strukturen sind.

Die untersuchten Daten stammen aus dem Projekt „Continuum Halos in Nearby Galaxies – an EVLA Survey“ (CHANG-ES), in dem 35 Galaxien radioastronomisch vermessen wurden. „Die Galaxie NGC 4217 ist für uns besonders interessant“, erklärt Yelena Stein, die die Arbeiten am Lehrstuhl für Astronomie der Ruhr-Universität Bochum unter der Leitung von Prof. Dr. Ralf-Jürgen Dettmar begann und mittlerweile am Centre de Données astronomiques de Strasbourg tätig ist. NGC 4217 ähnelt der Milchstraße und liegt nur etwa 67 Millionen Lichtjahre entfernt, also relativ nah, im Sternbild Großer Bär. Die Forscherinnen und Forscher hoffen daher, einige ihrer Erkenntnisse auch auf unsere Heimatgalaxie übertragen zu können.

Magnetfelder und Orte der Sternentstehung
Bei der Auswertung der Daten von NGC 4217 fanden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gleich mehrere bemerkenswerte Strukturen. Die Galaxie weist eine auch schon bei anderen Galaxien beobachtete X-förmige Magnetfeldstruktur auf, die sich von der Galaxienscheibe über 20.000 Lichtjahre weit nach außen erstreckt.

Neben der X-Form fand das Team eine Helix-Struktur sowie zwei große Blasenstrukturen, auch Superbubbles genannt. Letztere gehen von Orten aus, an denen viele massereiche Sterne als Supernovae explodieren, aber auch Sterne gebildet werden, die dabei Sternwinde aussenden. Daher vermuten die Wissenschaftler einen Zusammenhang zwischen den Phänomenen.

„Es ist faszinierend, dass wir mit Radio-Polarisationsmessungen bei jeder Galaxie unerwartete Phänomene entdecken”, bemerkt Rainer Beck vom MPIfR in Bonn, ein Ko-Autor der Studie. „Hier bei NGC 4217 sind es riesige magnetische Gasblasen und ein Helix-Magnetfeld, das sich in den Halo der Galaxie schraubt.“

Außerdem offenbarte die Analyse große Ring-Strukturen in den Magnetfeldern entlang der ganzen Galaxie. „Das wurde so zuvor noch nie beobachtet“, sagt Yelena Stein. „Wir vermuten, dass die Strukturen durch die Sternentstehung zustande kommen, weil an diesen Stellen Materie nach außen geschleudert wird.“

Bild zeigt Magnetfeldstrukturen
Für die Analyse kombinierten die Forscherinnen und Forscher unterschiedliche Methoden, mit denen sie die geordneten und die chaotischen Magnetfelder der Galaxie sowohl entlang der Sichtlinie als auch senkrecht dazu sichtbar machen konnten. So ergab sich ein umfassendes Bild der Strukturen.

Um diese zu verdeutlichen, brachte Yelena Stein die radioastronomisch ausgewerteten Daten mit einem Bild von NGC 4217 zusammen, das im Bereich des sichtbaren Lichts aufgenommen worden war. „Es war mir wichtig, die Daten anschaulich zu machen“, erzählt Stein. „Denn wenn man über Galaxien nachdenkt, kommen einem nicht als erstes Magnetfelder in den Sinn, obwohl sie gigantisch groß sein können und einzigartige Strukturen annehmen. Das Bild soll die Magnetfelder mehr in den Fokus rücken.“

Hintergrundinformation
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.

Bildzusammensetzung: Bildkomposition von Yelena Stein vom Centre de Données astronomiques de Strasbourg (CDS) mit Unterstützung von Jayanne English (University of Manitoba). VLA-Radio-Daten von Yelena Stein und Ralf-Jürgen Dettmar (Ruhr-Universität Bochum). Die Beobachtungen waren Teil des Projekts CHANG-ES unter Leitung von Judith Irwin (Queen’s University, Canada). Die optischen Daten stammen vom Sloan Digital Sky Survey, die Daten vom ionisierten Wasserstoff (rot) vom 0,9 Meter-Teleskop des Kitt Peak National Observatory, aufgenommen von Richard J. Rand von der University of New Mexico. Der Software-Code für das Tracing der Magnetfeldlinien wurde vom Linear Integral Convolution code adaptiert – zur Verfügung gestellt von Arpad Miskolczi, Ruhr-Universität.

Förderung: Die Arbeiten wurden gefördert von der Hans-Böckler-Stiftung und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG-Forschungsgruppe 1254). Es gingen Daten vom Sloan Digital Sky Survey III ein – finanziert von der Alfred P. Sloan Foundation sowie den teilnehmenden Einrichtungen, der National Science Foundation (NSF) und dem Office of Science des U.S. Department of Energy (DOE) – und vom Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) – finanziert von der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) ist eine Einrichtung der NSF, betrieben unter einem Kooperationsvertrag der Associated Universities, Inc.

Die Wissenschaftler von der Ruhr-Universität Bochum, dem Centre de Données astronomiques de Strasbourg und vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn berichten zusammen mit US-amerikanischen und kanadischen Kollegen online am 21. Juli 2020 in der Zeitschrift „Astronomy and Astrophysics“. Zum Forscherteam gehören Yelena Stein, Ralf-Jürgen Dettmar, Rainer Beck, Judith Irwin, Theresa Wiegert, Arpad Miskolczi, Q. Daniel Wang, Jayanne English, Richard Henriksen, Michael Radica und Jiangtao Li. Rainer Beck ist Mitarbeiter des MPIfR.

Originalveröffentlichung
CHANG-ES XXI. Transport processes and the X-shaped magnetic field of NGC 4217: off-center superbubble structure

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

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.

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.

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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