Quelle: Universität Stuttgart 16. Juni 2023.

16. Juni 2023 – Seit Jahrzehnten erforschen Astronomen und Astronominnen die Kräfte, die das Innere von Galaxien bestimmen: Schwerkraft, kinetische Energie, stellare Strahlung, Gasdruck. Die Bedeutung von Magnetfeldern für die Entwicklung von Galaxien ist allerdings noch weitgehend unverstanden – und das, obwohl sie bis zur Hälfte des gesamten Energiehaushalts des Gases in einer Galaxie ausmachen können. Beobachtungen des warmen diffusen Gases zwischen den Sternen im Radiowellenbereich deuten darauf hin, dass vermutlich alle Galaxien von einem geordneten großskaligen Magnetfeld gewaltiger Dimension durchzogen sind. Aber wie sieht es auf kleineren Skalen wie etwa den kalten dichten Molekülwolken aus, in denen Sterne entstehen? Befinden sich dort ähnlich geordnete Magnetfelder? Regulieren diese womöglich die Geschwindigkeit der Sternentstehung? Beeinflussen sie die Bildung der molekularen Wolken oder die Kinematik der Scheibe einer Spiralgalaxie?

Um diesen Fragen nachzugehen, hat ein internationales Team um Alejandro Borloff vom NASA Ames Research Center im Rahmen des SOFIA-Legacy-Programms SALSA (Survey on extragALactic magnetiSm with SOFIA) die Magnetfelder von 14 Galaxien in der Nachbarschaft der Milchstraße untersucht. Dazu haben die Forschenden die Galaxien mit der hochauflösenden Airborne Wideband Camera HAWC+ an Bord von SOFIA im fernen infraroten Wellenlängenbereich bei zwischen 53 und 214 Mikrometern beobachtet. Nur bei diesen Wellenlängen können Forschende die Magnetfelder in den kalten, dichten Molekülwolken der Sternentstehungsgebiete vermessen. Allerdings sind Magnetfelder von Natur aus schwer bzw. nur indirekt zu detektieren, sodass die Forschenden einen Trick anwenden: In den Molekülwolken befinden sich längliche Staubkörner geringer Ausdehnung, die sich senkrecht zum Magnetfeld ausrichten, sodass die Strahlung, die von diesen Staubkörnern ausgeht, polarisiert ist. Mit dem HAWC+-Instrument konnte das Team um Alejandro Borloff dieses polarisierte, ferninfrarote Licht der magnetisch ausgerichteten Staubkörner beobachten und daraus anschließend die Orientierung der Magnetfelder in den Molekülwolken ableiten.

Ein Vergleich mit Radiodaten vom Effelsberg-Teleskop in Deutschland und Very Large Array in New Mexico bei Wellenlängen von wenigen Zentimetern, die beide für die polarisierte Strahlung aus dem weniger dichten Gas der Galaxien empfindlich sind, zeigt Erstaunliches: Spiralgalaxien neigen zwar dazu Magnetfelder zu haben, die auf großen Skalen den Spiralarmen aus Gas und Sternen folgen. Die mit SOFIA abgeleiteten Magnetfelder auf den kleineren Skalen der Molekülwolken sind jedoch chaotischer und weniger geordnet als die mit Radioteleskopen beobachteten. „Die Ergebnisse des Projektes SALSA sind sehr wichtig“, erläutert Rainer Beck vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und Ko-Autor der veröffentlichten Studie. “Zum ersten Mal gibt es Polarisationsdaten von Galaxien mit ähnlicher Winkelauflösung wie die unserer Radiokarten im Ferninfrarot, sodass sich die Magnetfeldstruktur im kalten interstellaren Medium mit der im warmem interstellaren Medium vergleichen lässt. Die Strukturen sind ähnlich, aber es gibt auch signifikante Unterschiede, z.B. in Regionen zwischen den Spiralarmen und in den Außengebieten der galaktischen Scheiben. Die Ähnlichkeit der im Ferninfrarot- und Radiobereich gemessenen Magnetfeldstrukturen ist ein starkes Argument für die Aktivität von galaktischen Dynamos, deren Theorie vor rund 50 Jahren in Deutschland, den USA und Russland entwickelt wurde.“

Das SALSA-Projekt umfasst neben sogenannten Starburst-Galaxien, die mit einer unglaublich hohen Rate Sterne bilden – oft als Folge einer Kollision zwischen Galaxien oder anderer gravitativer Störungen – auch Galaxien, die ein supermassereiches Schwarzes Loch beherbergen, das energiereiche Jets aus ionisiertem Gas senkrecht zur galaktischen Ebene rauschleudert. Die SALSA-Ergebnisse zeigen, dass SOFIA das Magnetfeld, das parallel zu diesen Ausströmungen in Starburst-Galaxien ausgerichtet ist, im Ferninfraroten besser detektieren kann als Radioteleskope. Radioteleskope hingegen sind tendenziell empfindlicher für die Magnetfelder im diffusen Gas in den Regionen zwischen den Spiralarmen der Wirtsgalaxien. Bei einigen Galaxien wie etwa NGC 2146 ist SOFIA mithilfe der HAWC+-Beobachtungen bei verschiedenen Wellenlängen sogar in der Lage, zwischen dem Magnetfeld des galaktischen Ausflusses und dem der galaktischen Ebene zu unterscheiden.

Das von den magnetisch ausgerichteten Staubkörnern im kalten, dichten interstellaren Medium ausgestrahlte Ferninfrarotlicht zeigt, dass Magnetfelder untrennbar mit der Sternentstehung verbunden sind: Dieselben Prozesse, die neue Sterne bilden, können gleichzeitig die Stärke und Struktur der umliegenden Magnetfelder beeinflussen. Die Ergebnisse des SALSA-Projekts zeigen, dass die Magnetfelder in turbulenten, dichten, sternbildenden Gaswolken ungeordneter sind als im diffusen interstellaren Gas – ein Effekt, der vermutlich direkt mit den Auswirkungen der von Sternbildung freigesetzten Energie zusammenhängt. Verschiedene Wellenbereiche (Ferninfrarot, Radio) offenbaren Regionen mit unterschiedlicher Magnetfeldstruktur. Hochauflösende Polarisationsbeobachtungen von Galaxien im fernen Infrarot, wie sie mit HAWC+ an Bord von SOFIA geliefert werden konnten, sind für das Verständnis der Rolle von Magnetfeldern in der Entwicklung des Universums von Bedeutung.

Über SALSA:
SALSA – Das Joint Legacy Program „SALSA – Survey of Extagalactic Magnetism with SOFIA“ zielt darauf ab, ein umfassendes empirisches Bild der magnetischen Feldstärke und Struktur im mehrphasigen ISM von Galaxien zu erstellen. Zum ersten Mal wird eine polarimetrische FIR-Durchmusterung von nahen Galaxien durchgeführt. Diese Ergebnisse werden mit radio-polarimetrischen und optischen spektroskopischen Beobachtungen kombiniert, um die Magnetfeldstärke/-struktur sowie die Gasdynamik als Funktion der Eigenschaften der Wirtsgalaxie und der galaktischen Umgebung auf der kpc-Skala zu bestimmen. Die polarimetrischen Beobachtungen dieses Legacy-Programms mit großem Feld und mehreren Wellenlängen werden einen entscheidenden Schritt darstellen, der den grundlegenden Rahmen für die Magnetfeldstruktur in den molekularen Gasscheiben naher Galaxien im kpc-Maßstab schaffen wird.

Über SOFIA:
SOFIA, das Stratosphären Observatorium Für Infrarot Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR; Förderkennzeichen 50OK0901, 50OK1301, 50OK1701 und FKZ 50 OK 2002) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Die SOFIA-Aktivitäten werden auf deutscher Seite von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR koordiniert und vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart durchgeführt, auf amerikanischer Seite von der NASA und der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente wurde finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

Originalveröffentlichung:
Extragalactic magnetism with SOFIA (SALSA Legacy Program) — V: First results on the magnetic field orientation of galaxies,
https://arxiv.org/abs/2303.13586,
pdf: https://arxiv.org/pdf/2303.13586.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 25. Oktober 2022.

25. Oktober 2022 – Untersuchungen des Zusammenspiels zwischen Sternentstehung und dem interstellaren Medium sind wichtig, um die Entwicklung von Galaxien zu verstehen. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Fatemeh Tabatabaei unter Mitarbeit von mehreren Wissenschaftlern des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie hat mit dem Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) in New Mexico hochaufgelöste Radiobeobachtungen der Nachbargalaxie Messier 33 in der lokalen Gruppe durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass in M33 ein direkter Zusammenhang zwischen molekularem Gas und Sternentstehung besteht. Die Entstehung von massereichen Sternen verstärkt das Magnetfeld und erhöht die Zahl der hochenergetischen Elektronen der kosmischen Strahlung, die wiederum die Entstehung von galaktischen Winden und Ausströmungen begünstigen können.

Die Studie wird in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ (MNRAS) veröffentlicht.

Galaxien sind Systeme aus Sternen und interstellarem Gas in Wechselwirkung. Beobachtungen zeigen, dass Galaxien heute weniger Sterne bilden als in der Vergangenheit. Da für die Entstehung von Sternen kaltes Gas benötigt wird, bringen Modellrechnungen die Verlangsamung dieses Prozesses und die beobachtete Entwicklung von Galaxien mit galaktischen Winden in Verbindung, durch die kaltes Gas abtransportiert wird.

Galaktische Winde entstehen in den Scheiben von Galaxien und erstrecken sich auf den Halo und das intergalaktische Medium; ihr Ursprung ist jedoch noch umstritten. Supernova-Explosionen und aktive galaktische Kerne (AGN) können starke Winde antreiben. Ihrer Rolle bei der Behinderung von Sternentstehung steht die Tatsache entgegen, dass das Gas ihrer Winde in die Galaxienscheibe zurückfallen und die Entstehung von neuen Sternen auslösen kann. Dank neuer hochaufgelöster Radiobeobachtungen mit dem „Karl G. Jansky Very Large Array“ fand ein internationales Forscherteam Hinweise für kosmische Strahlung als alternative Ursache für galaktische Winde, und zwar in unserer Nachbargalaxie M33 im Sternbild Dreieck (Triangulum) in einer Entfernung von 2,7 Millionen Lichtjahren von der Erde. Diese Galaxie enthält rund 23-mal weniger Masse als die Milchstraße.

Kosmische Strahlungen bestehen aus hochenergetischen Teilchen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Sie können den Druck im interstellaren Medium erhöhen, Ausströmungen (outflows) verursachen und die Strukturen über eine gesamte Galaxie hinweg verändern. Frühere Studien hatten bereits auf die Bedeutung der von kosmischer Strahlung angetriebenen Winde für die Entstehung von Blasen in der Milchstraße und in der Andromeda-Galaxie hingewiesen, die eine Größe von einigen Tausend Lichtjahren haben.

„Das ist das erste Mal, dass wir Beweise für solche Winde in einer massearmen, sternbildenden Spiralgalaxie wie M33 finden“, sagt Fatemeh Tabatabaei, die leitende Forscherin der vorliegenden Untersuchung. „Dieser Nachweis ergab sich aus einem Widerspruch, als wir feststellten, dass die Elektronen der kosmischen Strahlung in Regionen energiereicher sind, in denen auch das Magnetfeld stärker ist. In einem starken Magnetfeld erwartet man, dass die Elektronen der kosmischen Strahlung Energie an eine stärkere Synchrotronstrahlung verlieren.“ Tabatabaei forschte schon im Rahmen ihrer im Jahr 2008 abgeschlossenen Promotion am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) unter der Leitung von Rainer Beck, einem Mitautor der Studie.

Dieses Paradoxon kann aufgelöst werden, wenn man die Struktur des Magnetfeldes in der Galaxie berücksichtigt. In Sternentstehungsgebieten wird das Magnetfeld aufgrund von turbulenten Gasbewegungen durch die Wirkung eines Dynamomechanismus verstärkt, der kinetische Energie in magnetische Energie umwandelt. Die resultierenden Feldlinien sind stark ineinander verknäuelt. „Der Dynamoeffekt ist ein wirkungsvoller Mechanismus, der überall im Universum arbeitet: in Sternen, Planeten, Galaxien und sogar in riesigen intergalaktischen Gaswolken“, sagt Rainer Beck.

„Diese verwirbelte Struktur des Magnetfeldes hilft der kosmischen Strahlung, sich über größere Bereiche zu verteilen, bevor sie ihre Energie durch die Synchrotronkühlung im Magnetfeld verliert. Die hochenergetische kosmische Strahlung kann sich dann leicht mit dem Hintergrundgas und -plasma verbinden und so Gebiete hohen Drucks in der Scheibe erzeugen. Das daraus resultierende Druckungleichgewicht zwischen der Scheibe und den äußeren Schichten im Halo verursacht die Entstehung von Winden“, fügt Fatemeh Tabatabaei hinzu.

Die aktuelle Untersuchung zeigt, dass von der kosmischen Strahlung angetriebene Winde in den meisten Galaxien eine Rolle spielen können, insbesondere in solchen mit relativ geringer Masse, aber aktiver Sternentstehung wie M33. Das sind Systeme, die viel häufiger im Kosmos auftreten als massereiche Galaxien. Daher können die von der kosmischen Strahlung angetriebenen Winde prinzipiell auch in früheren Epochen eine wichtige Rolle beim Abtransport von Gas gespielt haben, da sie aufgrund der höheren Sternentstehungsaktivität damals noch stärker waren.

„Um diese Ergebnisse zu bestätigen und die Untersuchung auf frühere Epochen im Universum auszudehnen, sind detaillierte Radiobeobachtungen von weiter entfernten Galaxien erforderlich, die mit zukünftigen empfindlichen Radioteleskopen wie dem “Next Generation Very Large Telescope” und dem SKA-Observatorium möglich werden“, schließt Karl Menten, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung Millimeter- und Submillimeter-Astronomie, ebenfalls Mitautor der Studie.

Hintergrundinformation:
Das „Karl G. Jansky Very Large Array“ (JVLA) setzt sich als Radioteleskop aus 27 einzelnen Parabolspiegeln zusammen, die in einer Y-förmigen Konfiguration auf der Ebene von San Agustin fünfzig Meilen westlich von Socorro, New Mexico, stehen. Jede Antenne hat einen Durchmesser von 25 Metern. Die Daten der einzelnen Antennen werden elektronisch miteinander kombiniert, um so die Auflösung einer Antenne mit einem Durchmesser von 36 km und die Empfindlichkeit eines Einzelteleskops von 130 Metern Durchmesser zu erreichen. Das VLA wird vom „National Radio Astronomy Observatory“ (NRAO) betrieben, einer Einrichtung der „National Science Foundation“ (NSF), die im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von „Associated Universities, Inc.“ (AUI) betrieben wird.

Das Forschungsteam umfasst F. S. Tabatabaei, W. Cotton, E. Schinnerer, R. Beck, A. Brunthaler, K. M. Menten, J. Braine, E. Corbelli, C. Kramer, J. E. Beckman, J. H. Knapen, R. Paladino, E. Koch, und A. Camps Fariña. Fatemeh Tabatabaei, die Erstautorin, und ebenso Rainer Beck, Andreas Brunthaler und Karl Menten haben alle eine MPIfR-Affiliation.

Originalveröffentlichung
Cloud-scale Radio Surveys of Star Formation and Feedback in Triangulum Galaxy M33: VLA Observations
F. Tabatabaei et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRASJ-517-2, p. 2997-3007, 25. Oktober 2022 (DOI: 10.1093/mnras/stac2514), https://academic.oup.com/mnras/article/517/2/2990/6764519.

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: 12. Oktober 2022. Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian.

Cambridge, Mass. – Im Oktober 2018 wurde ein kleiner Stern in Stücke gerissen, als er zu nahe an einem Schwarzen Loch in einer Galaxie in 665 Millionen Lichtjahren Entfernung von der Erde vorbeizog. Auch wenn es aufregend klingen mag, kam das Ereignis für Astronomen, die beim Scannen des Nachthimmels gelegentlich Zeugen solcher gewalttätigen Vorfälle werden, nicht überraschend.

Doch fast drei Jahre nach dem Massaker erhellt dasselbe Schwarze Loch den Himmel erneut – und es hat nichts Neues verschluckt, sagen die Wissenschaftler. „Das hat uns völlig überrascht – niemand hat so etwas je zuvor gesehen“, sagt Yvette Cendes, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) und Hauptautorin einer neuen Studie, die das Phänomen analysiert.

Das Team kommt zu dem Schluss, dass das Schwarze Loch nun Material ausstößt, das sich mit halber Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, ist sich aber nicht sicher, warum der Ausfluss um mehrere Jahre verzögert wurde. Die Ergebnisse, die diese Woche im Astrophysical Journal veröffentlicht wurden, könnten den Wissenschaftlern helfen, das Fressverhalten von Schwarzen Löchern besser zu verstehen, das Cendes mit dem „Rülpsen“ nach einer Mahlzeit vergleicht.

Das Team entdeckte den ungewöhnlichen Ausbruch bei der Überprüfung von Gezeitenstörungen (TDEs) – wenn eindringende Sterne von Schwarzen Löchern zerstückelt werden -, die in den letzten Jahren aufgetreten sind. Radiodaten des Very Large Array (VLA) in New Mexico zeigten, dass das Schwarze Loch im Juni 2021 auf mysteriöse Weise wieder aufgetaucht war. Cendes und sein Team beeilten sich, das Ereignis genauer zu untersuchen.

Wir beantragten „Director’s Discretionary Time“ für mehrere Teleskope, denn wenn man etwas so Unerwartetes findet, kann man nicht auf den normalen Zyklus der Teleskopanträge warten, um es zu beobachten“, erklärt Cendes. „Alle Anträge wurden sofort angenommen.“ Das Team sammelte Beobachtungen des TDE, das den Namen AT2018hyz trägt, in verschiedenen Wellenlängen des Lichts mit Hilfe des VLA, des ALMA-Observatoriums in Chile, des MeerKAT in Südafrika, des Australian Telescope Compact Array in Australien sowie des Chandra X-Ray Observatoriums und des Neil Gehrels Swift Observatoriums im Weltraum. Die Radiobeobachtungen der TDE erwiesen sich als am auffälligsten.

„Wir untersuchen TDEs seit mehr als einem Jahrzehnt mit Radioteleskopen und stellen manchmal fest, dass sie in Radiowellen leuchten, wenn sie Material ausspucken, während der Stern zunächst von dem Schwarzen Loch verschlungen wird“, sagt Edo Berger, Professor für Astronomie an der Harvard University und am CfA und Mitautor der neuen Studie. „Aber bei AT2018hyz herrschte in den ersten drei Jahren Funkstille, und jetzt leuchtet er dramatisch auf und wird zu einem der am stärksten im Radio leuchtenden TDEs, die je beobachtet wurden.“

Sebastian Gomez, Postdoktorand am Space Telescope Science Institute und Mitautor der neuen Arbeit, sagt, dass AT2018hyz im Jahr 2018 „unauffällig“ war, als er es zum ersten Mal mit Teleskopen für sichtbares Licht untersuchte, darunter das 1,2-Meter-Teleskop am Fred Lawrence Whipple Observatory in Arizona. Gomez, der damals zusammen mit Berger an seiner Doktorarbeit arbeitete, berechnete anhand theoretischer Modelle, dass der vom Schwarzen Loch zerrissene Stern nur ein Zehntel der Masse unserer Sonne hatte. „Wir haben AT2018hyz mehrere Monate lang im sichtbaren Licht beobachtet, bis er verblasste, und ihn dann aus unserem Gedächtnis gelöscht“, sagt Gomez.

TDEs sind dafür bekannt, dass sie Licht emittieren, wenn sie auftreten. Wenn sich ein Stern einem Schwarzen Loch nähert, beginnen die Gravitationskräfte, den Stern zu dehnen oder zu spaghettisieren. Schließlich dreht sich das gedehnte Material spiralförmig um das Schwarze Loch und erhitzt sich, wodurch ein Lichtblitz entsteht, den Astronomen noch aus Millionen von Lichtjahren Entfernung erkennen können. Gelegentlich wird etwas spaghettiertes Material zurück ins All geschleudert. Astronomen vergleichen dies mit schwarzen Löchern, die unordentliche Esser sind – nicht alles, was sie zu verzehren versuchen, schafft es in ihren Mund. Aber die Emission, die als Ausfluss bekannt ist, entwickelt sich normalerweise schnell nach dem Auftreten einer TDE – nicht erst Jahre später. „Es ist, als ob dieses Schwarze Loch plötzlich anfängt, einen Haufen Material von dem Stern, den es vor Jahren verschlungen hat, auszuspucken“, erklärt Cendes. In diesem Fall sind die Rülpser gewaltig.

Der Ausfluss von Material bewegt sich mit bis zu 50 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Zum Vergleich: Die meisten TDEs haben einen Ausfluss, der sich mit 10 Prozent der Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, sagt Cendes. „Dies ist das erste Mal, dass wir eine so lange Verzögerung zwischen dem Einströmen und dem Ausströmen beobachten konnten“, sagt Berger. „Der nächste Schritt besteht darin, zu untersuchen, ob dies tatsächlich häufiger vorkommt und wir uns TDEs einfach nicht spät genug in ihrer Entwicklung angesehen haben.“

Weitere Co-Autoren der Studie sind Kate Alexander und Aprajita Hajela von der Northwestern University; Ryan Chornock, Raffaella Margutti und Daniel Brethauer von der University of California, Berkley; Tanmoy Laskar von der Radboud University; Brian Metzger von der Columbia University; Michael Bietenholz von der York University und Mark Wieringa von der Australia Telescope National Facility.

Über das Zentrum für Astrophysik | Harvard & Smithsonian

Das Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian ist eine Zusammenarbeit zwischen Harvard und dem Smithsonian mit dem Ziel, die größten ungelösten Fragen der Menschheit über die Natur des Universums zu stellen und letztendlich zu beantworten. Das Center for Astrophysics hat seinen Hauptsitz in Cambridge, MA, und verfügt über Forschungseinrichtungen in den USA und der ganzen Welt.

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

22. Juli 2021 – Durch die Kombination von zwei der leistungsfähigsten Radioteleskope der Erde hat ein internationales Forscherteam unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn die bisher empfindlichsten Karten der Radiostrahlung großer Teile der nördlichen galaktischen Ebene erstellt. Die Daten wurden mit dem Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) in New Mexico in zwei verschiedenen Konfigurationen und dem 100-m-Radioteleskop des MPIfR in Effelsberg bei Bonn aufgenommen. Damit steht erstmals eine Radiokartierung zur Verfügung, die alle Winkelskalen bis hinunter zu 1,5 Bogensekunden abdeckt. Das entspricht der scheinbaren Größe eines auf dem Boden liegenden Tennisballs, gesehen aus einem Flugzeug in der Luft. Im Gegensatz zu früheren Kartierungen beobachtet GLOSTAR nicht nur das Radiokontinuum im Frequenzbereich von 4-8 GHz mit voller Polarisation, sondern gleichzeitig auch Spektrallinien, die das molekulare Gas (aus Methanol und Formaldehyd) und atomares Gas über Radio-Rekombinationslinien nachzeichnen.

Ein Überblick über das Projekt und erste Ergebnisse werden in einer Serie von vier aufeinanderfolgenden Veröffentlichungen in der Fachzeitschrift “Astronomy & Astrophysics” präsentiert.

Das Projekt „Global View on Star Formation in the Milky Way“ (GLOSTAR) liefert die bisher empfindlichsten Karten der Radiostrahlung großer Teile der nördlichen galaktischen Ebene, aufgenommen mit dem Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) in New Mexico in zwei verschiedenen Konfigurationen und dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg des MPIfR. Dieser faszinierende neue Datensatz wird nun genutzt, um das interstellare Medium in der Milchstraße sowie massereiche Sterne in ihrer Kindheit und ihrem Tod zu untersuchen. Kurz nach dem 50. Geburtstag des Effelsberger Radioteleskops wurde nun eine Reihe von Arbeiten, die auf den GLOSTAR-Daten basieren, in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Während ein Interferometer wie das VLA sehr scharfe Bilder des Himmels erzeugen kann, geht die großräumige Emission oft verloren. Diese diffuse Komponente der Radiostrahlung kann jedoch durch Hinzufügen von Daten des 100-m-Effelsberg-Teleskops wiederhergestellt werden, wie in Abb. 1 gezeigt. „Das zeigt deutlich, dass das Radioteleskop Effelsberg auch nach 50 Jahren Betrieb immer noch sehr wichtig ist“, sagt Andreas Brunthaler, Hauptautor der ersten Arbeit, die einen Überblick über die Durchmusterung gibt und die Techniken zur Datenanalyse beschreibt. Um die vollen 145 Quadratgrad der Durchmusterung zu kartieren, musste das Team kleinere Bilder von fast 50.000 verschiedenen Positionen kombinieren. „Wir benötigten etwa 700 Stunden Beobachtungszeit am VLA, wodurch fast 40 Terabyte an Rohdaten erzeugt wurden“, erklärt Sergio Dzib, der die Datenkalibrierung der VLA-Daten leitete. Während der Effelsberger Teil der Kartierung noch läuft, können die Daten bereits für neue und spannende Wissenschaft genutzt werden.

Bisherige Durchmusterungen haben nur etwa 30% der erwarteten Anzahl von Supernova-Überresten in der Milchstraße entdeckt. Dank der beispiellosen Empfindlichkeit der GLOSTAR-Durchmusterung war es möglich, allein in den VLA-Daten 80 neue Kandidaten zu finden und damit die Anzahl im beobachteten Gebiet zu verdoppeln. Mit der Hinzunahme der Effelsberg-Daten wird diese Zahl voraussichtlich nochmals steigen. „Dies ist ein wichtiger Schritt, um das lange bestehende Rätsel der fehlenden Supernova-Überreste in der Milchstraße zu lösen“, erklärt Rohit Dokara, Doktorand am MPIfR und Erstautor der zweiten Arbeit.

Mit den spannenden Ergebnissen von Kartierungen im Sub-Millimeter- und im fernen Infrarot-Wellenlängenbereich vom Boden und aus dem Weltraum konnten massereiche und kalte Staubklumpen, aus denen sich die massereichen Sternhaufen bilden, galaxienweit nachgewiesen werden. Ergänzend zu diesen Ergebnissen liefert die GLOSTAR-Kartierung ein sehr leistungsfähiges und umfassendes Bild sowohl der ionisierten als auch der molekularen Markierungen für Sternentstehung in der galaktischen Ebene.

Die vorliegende Kartierung deckt auch den nahen Sternentstehungskomplex Cygnus X ab. Hier wurden neue Quellen mit 6,7 GHz Methanol-Maser-Emission entdeckt. „Die 6,7-GHz-Linie von Methanol findet man ausschließlich in Regionen, in denen sehr massereiche Sterne von mindestens acht Sonnenmassen entstehen“, sagt Karl Menten, Direktor am MPIfR, dem Initiator von GLOSTAR. Er entdeckte die Emission von Methanolmasern, die zweitstärkste Spektrallinie im Radiowellenbereich, vor genau 30 Jahren zum ersten Mal im interstellaren Medium. Während alle Methanolmaser im Cygnus X-Komplex mit Staubemission assoziiert sind, werden weniger als die Hälfte der Quellen auch im Radiokontinuum nachgewiesen.

„Diese Maser sind Wegweiser für Sterne in einem sehr frühen Entwicklungsstadium, noch bevor nachweisbare Radiostrahlung zu sehen ist“, erklärt Gisela Ortiz-León vom MPIfR, die die Untersuchung der Region Cygnus X leitet. Echte massereiche „Proto“-Sterne zu identifizieren, ist seit langem ein Ziel der Sternentstehungsforschung.

Während das optische Licht stark vom interstellaren Staub absorbiert wird, erlauben Radiowellen einen Blick in die zentralen Regionen der Milchstraße. Eine systematische Suche in der neuen Kontinuumskarte, die mit dem VLA in Richtung des galaktischen Zentrums beobachtet wurde, nach Radioemission, die mit potenziellen jungen stellaren Objekten aus einem kürzlich veröffentlichten Katalog assoziiert ist, ermöglicht ein besseres Verständnis ihres Entwicklungsstadiums. „Während wir für eine gute Anzahl von ihnen Radioemission finden, fehlt es vielen der Objekte an Radiogegenstücken und Staubemission, was darauf hindeutet, dass sie weiter entwickelt sind und ihre Geburtswolken bereits aufgelöst haben“, berichtet Hans Nguyen, ein weiterer Doktorand am MPIfR, der die Studie über diese jungen stellaren Objekte leitet. Die zugehörigen Radioquellen ermöglichen weitere Rückschlüsse auf die Sternentstehungsrate im galaktischen Zentrum.

Die große Anzahl von Quellen zu katalogisieren ist ebenfalls eine Herausforderung. Die erwartete Anzahl der Quellen in den vollständigen GLOSTAR-Datensätzen liegt bei einigen zehntausend Quellen unterschiedlicher Natur. „Es gibt fast 100 Quellen pro Quadratgrad und wir nutzen alle verfügbaren Informationen, um sie zu klassifizieren“, sagt Sac Medina, Mitautorin der vier Arbeiten und ehemalige Doktorandin am MPIfR, die die erste Quellenkatalogarbeit leitete und derzeit den Katalog der vollen GLOSTAR D-Konfigurationsbilder vorbereitet.

Von Anfang an wurden im MPIfR eine Reihe von umfangreichen Kartierungen des Radiohimmels durchgeführt, die meisten davon allerdings bei längeren Wellenlängen. Die GLOSTAR-Durchmusterung ist die erste Durchmusterung im Bereich von 4 bis 8 GHz, die mit den IR-Durchmusterungen im Weltraum in Bezug auf räumliche Skalen und dynamische Bereiche konkurrieren kann und daher einen einzigartigen Datensatz in Hinblick auf eine globale Perspektive zur Untersuchung der Sternentstehung in unserer Galaxie liefern wird.

Zusätzliche Informationen:

GLOSTAR, die „Global View on Star Formation in the Milky Way“-Kartierung nutzt breitbandige (4-8 GHz) C-Band-Empfänger des VLA und des 100-m-Radioteleskops Effelsberg, um eine unverfälschte Kartierung von Sternentstehungsgebieten in der Milchstraße durchzuführen. Diese Durchmusterung der galaktischen Mittelebene entdeckt aussagekräftige Indikatoren für frühe Phasen der Entstehung von massereichen Sternen: kompakte, ultra- und hyperkompakte HII-Regionen und Methanol-Maser (CH₃OH) bei einer Frequenz von 6,7 GHz, die einige der frühesten Entwicklungsstadien in der Entstehung massereicher Sterne aufspüren. Sie können dazu verwendet werden, die Positionen sehr junger stellarer Objekte zu lokalisieren, von denen viele noch tief in ihre Geburtswolken eingebettet sind. Die Beobachtungen liegen um eine Mittenfrequenz von 5,8 GHz und umfassen auch die Emission von Formaldehyd (H₂CO) bei 4,8 GHz sowie mehrere Radio-Rekombinationslinien (RRLs), die alle in zukünftigen Publikationen vorgestellt werden. Die GLOSTAR-Beobachtungen wurden mit den VLA B- und D-Konfigurationen und dem Effelsberger 100-m-Teleskop für die großräumige Struktur durchgeführt.

MPIfR-Autoren in den vier GLOSTAR-Veröffentlichungen umfassen (in alphabetischer Reihenfolge): A. Brunthaler, C.-H. R. Chen, S. A. Dzib, R. Dokara, Y. Gong, C. König, S-N. X. Medina, K. M. Menten, P. Müller, H. Nguyen, G. N. Ortiz-León, W. Reich, M. R. Rugel, B. Winkel, A. Y. Yang und F. Wyrowski.

Originalveröffentlichungen

A Global View on Star Formation: The GLOSTAR Galactic Plane Survey. I. Overview and first results for the Galactic longitude range 28°< l < 36° Brunthaler, A. et al. 2021, Astronomy & Astrophysics (22. Juli 2021). DOI: 10.1051/0004-6361/202039856

A Global View on Star Formation: The GLOSTAR Galactic Plane Survey. II. Supernova remnants in the first quadrant of the Milky Way? Dokara, R. et al.,2021, Astronomy & Astrophysics (22. Juli 2021). DOI: 10.1051/0004-6361/202039873

A Global View on Star Formation: The GLOSTAR Galactic Plane Survey. III. 6.7 GHz Methanol maser survey in Cygnus X Ortiz-León, G.N. et al.,2021, Astronomy & Astrophysics (22. Juli 2021). DOI: 10.1051/0004-6361/202140817

A Global View on Star Formation: The GLOSTAR Galactic Plane Survey. IV. Radio continuum detections of young stellar objects in the Galactic Centre Region Nguyen, H. et al. 2021, Astronomy & Astrophysics (22. Juli 2021). DOI: 10.1051/0004-6361/202140802

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• Die Milchstraße

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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 Astronomie.

Die Versorgung von massereichen Sternembryos mit Nahrung aus ihrer umgebenden Scheibe aus Gas und Staub war lange Zeit ein Rätsel. Ein internationales Forschungsteam, an dem das Max-Planck-Institut für Astronomie beteiligt ist, hat nun eine Spiralstruktur in solch einer Scheibe entdeckt, in dessen Zentrum ein wachsender Stern von etwa 12 Sonnenmassen eine dramatische Helligkeitszunahme erfahren hat. Diese Spirale bestätigt die Vermutung, dass solche Scheiben zeitweilig instabil werden und deswegen teilweise in kompakte Pakete zerfallen. Diese füttern den jungen Stern häppchenweise, was sich in Episoden von stark ansteigender Leuchtkraft bemerkbar macht. Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Massereiche Sterne, also Sterne, deren Masse mindestens dem Achtfachen der Sonne entspricht, unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von den massearmen Sternen, zu denen auch die Sonne zählt. So konnten sich Astronomen lange Zeit nicht befriedigend erklären, wie das Material, das die Protosterne – also die noch jungen, unfertigen Sterne – wachsen lässt, den enormen Strahlungsdruck überwinden kann. Eine aktuelle Untersuchung unter der Leitung von Xi Chen (Guangzhou University und Shanghai Astronomical Observatory, China) und Andrej Sobolev (Ural Federal University, Russland), an der auch das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg beteiligt ist, hat nun einen wichtigen Schritt zur Klärung dieses Rätsels geschafft.

Als Teil der weltweit kooperierenden Maser Monitoring Organization (M2O) entdeckten die Forscher in der Umgebung des 22.000 Lichtjahre entfernten massereichen Protosterns G358-MM1 eine Spiralstruktur, die Teil einer Scheibe aus Gas und Staub ist, die den Protostern umgibt. Wissenschaftler sagen dieses Phänomen theoretisch für massereiche Scheiben vorher, von denen Astronomen vermuten, dass sie sich bevorzugt bei der Entstehung von massereichen Sternen bilden. Dabei fällt ständig neues Material aus einer weiter außen liegenden Hülle aus Gas und Staub auf die Scheibe auf und lässt sie weiter wachsen. Derzeit hat sie einen Durchmesser von 1.340 AE (1 AE = 1 Astronomische Einheit = 149,6 Mio km).

Materiepakete aus massereichen Scheiben füttern massereiche Protosterne

Die Gravitationswirkung des zentralen Sterns beeinflusst solche massereichen Scheiben nur zum Teil. Stattdessen wirkt die Gravitation der Scheibe selbst maßgeblich auf ihre Stabilität ein, so dass die Materie auf Bahnen geleitet wird, die zur Ausprägung einer Spirale führen. Eine weitere Konsequenz der Instabilität ist, dass die Scheibe zum Teil in dichte, kompakte Pakete aus Gas und Staub zerfällt. Diese überstehen den Sturz auf den leuchtstarken massereichen Protostern trotz des immensen Strahlungsdrucks und führen so zu einem schubweisen Wachstum.  Dieser Prozess, den Astronomen Akkretion nennen, lässt die Leuchtkraft des Protosterns vorübergehend stark ansteigen.

Wegen der dichten Scheibe ist die Zunahme der Helligkeit jedoch nur schwer zu beobachten. Der Nachweis erfolgte bei G358-MM1 einerseits durch die Messung von Fern-Infrarotstrahlung, die durch das Aufheizen der Scheibe freigesetzt wird. Ein technisch einfacherer Nachweis ist die Detektion von Maserstrahlung. Maser sind das Pendant zu Lasern, die jedoch statt sichtbarem Licht Mikrowellenstrahlung – oder Radiostrahlung – abgeben. Sie kommen in massereichen Sternentstehungsgebieten als natürliche, sehr helle und kompakte Strahlungsquellen vor. In einer früheren Studie hatten die Astronomen das vorübergehende Aufflammen von Maseremission in G358-MM1 als Hinweis auf eine Hitzewelle identifiziert, die durch die Scheibe lief.

In der aktuellen Studie verriet sich die Spiralstruktur ebenfalls durch Masersignale, die auch hier durch einen zeitweiligen starken Anstieg der Strahlungsleistung verursacht wurde, hervorgerufen von einem neuerlichen Akkretionsschub. Die Wissenschaftler modellierten aus den Positionen und Geschwindigkeitsinformationen der detektierten Maser nicht nur die Form der zugrundliegenden Konfiguration, sondern folgerten, dass Materie entlang der Spiralarme von den äußeren Bereichen der Scheibe nach Innen strömt und von dort allmählich den Protostern füttert, dessen Masse sie auf etwa 12 Sonnenmassen bestimmten.

Zusammenhang zwischen schubweiser Akkretion und instabiler Scheibe

„G358-MM1 ist damit das erste Exemplar eines massereichen Protosterns, dessen kurzzeitiger Helligkeitsanstieg eindeutig mit der Ausprägung einer Spirale zusammenfällt, einer Struktur, die für eine instabile, massereiche Scheibe spricht“, erläutert Xi Chen. In Verbindung mit theoretischen Modellen kann somit erstmals ein direkter Zusammenhang zwischen der Variation der Leuchtkraft und der Akkretion von einzelnen Materiepaketen aus einer instabilen, massereichen Scheibe hergestellt werden. „Dieses Resultat legt nahe, dass die durch Scheiben vermittelte Akkretion daher als ein üblicher Mechanismus der Sternentstehung von massearmen bis massereichen Sternen angesehen werden könnte“, stellt Xi Chen fest.

Eine weitere Überraschung war die Art der Maser. Bislang fand man in den Scheiben mit Akkretionstätigkeit hauptsächlich Maserstrahlung des Methanolmoleküls, welches durch die erhöhte Infrarotstrahlung angeregt wird. Die Maser in der Spirale waren jedoch etwas völlig Neues. Einerseits beruhte diese Strahlung auf einer besonderen Form des Methanols, bei dem ein gewöhnliches Kohlenstoffatom durch ein schwereres Kohlenstoff-Isotop ausgetauscht ist, das ein Neutron mehr als üblich aufweist. Andererseits fanden die Wissenschaftler dort Maseraktivität von schwerem Wasser. Dieses trägt statt eines Wasserstoffatoms ein Deuteriumatom in sich. „Die genauen Ursachen für die Anregung gerade dieser Moleküle wollen die Astronomen noch ermitteln“, erklärt Hendrik Linz vom MPIA, der an der Studie beteiligt war. „Allerdings zeigt dies, dass die Bedingungen in diesen Spiralarmen und damit in den massereichen Scheiben außergewöhnlich sein müssen.“

Hintergrundinformationen

Die Studie wurde unter dem Titel „New maser species tracing spiral-arm accretion flows in a high-mass young stellar object“ in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41550-020-1144-x). Neben dem Hauptautor sind 18 Wissenschaftler von 18 Forschungsinstituten aus 11 Ländern und 5 Kontinenten an der Publikation beteiligt.

Die Wissenschaftler verwendeten Daten des Shanghai 65-Meter Tianma Radioteleskops (TMRT; China) sowie des Karl G. Jansky Very Large Array (VLA; USA).

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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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Ein Beitrag von Alexander Bartl. Quelle: University of Minnesota.

Seit einigen Jahren sind derartige Löcher bekannt, aber mit Größen von um die eine Million Lichtjahre sind sie um den Faktor 1000 kleiner als das jetzt entdeckte. Es gibt bisher noch keine Erklärung für das Phänomen.

Das Loch befindet sich in sechs bis zehn Milliarden Lichtjahren Entfernung in Richtung des Sternbildes Eridanus und wurde vom Very Large Array, einem Radioteleskop in New Mexico (USA), entdeckt.

„Nicht nur hat niemand bisher ein Loch dieser Größe entdeckt, sondern wir haben nicht einmal erwartet, ein so großes Loch zu finden.“, sagte der Professor für Astronomie Lawrence Rudnick von der University of Minnesota. Dazu kommt, dass die Anzahl der entdeckten Löcher mit steigender Größe immer geringer wird. „Was wir entdeckt haben, ist nicht normal“, kommentiert die Assistenzprofessorin Liliya Williams, die neben Rudnick und dem Studenten Shea Brown an der Entdeckung beteiligt war.“Wir wussten bereits, dass etwas anders war mit diesem Punkt am Himmel“, berichtet Rudnick. Im kosmischen Mikrowellenhintergrund, der von der Sonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) kartographiert wurde, zeigt sich dort eine Stelle, die kälter ist als die durchschnittliche Temperatur von rund 2,7 Kelvin.

Der kosmische Mikrowellenhintergrund besteht aus Photonen. Wenn sich diese einer großen Masse nähern, gewinnen sie durch die Gravitation Energie, die sie wieder verlieren, wenn sie sich wieder von der Masse entfernen. Dunkle Energie, jene weitgehend unbekannte Kraft, die die Expansion des Universums beschleunigt, führt jedoch dazu, dass die Photonen etwas weniger Energie verlieren, als sie ursprünglich verloren haben. Verglichen mit Photonen, die überhaupt nicht beschleunigt und abgebremst wurden, haben sie also eine etwas höhere Energie. Daher ist der Mikrowellenhintergrund an der Stelle des Lochs kälter, also energieärmer als der Durchschnitt.

„Auch wenn unsere überraschenden Ergebnisse noch unabhängig bestätigt werden müssen, scheint die etwas niedrigere Temperatur des kosmischen Mikrowellenhintergrunds in dieser Region von einem großen Loch frei von nahezu jeglicher Materie verursacht zu werden“, fasst Rudnick die Ergebnisse zusammen.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: EADS/MIT.

Es ist wie beim Aufräumen nach einer Party. Fassen alle mit an, dann ist die Arbeit im Handumdrehen getan, auch größere Abfallmengen können schnell entsorgt werden. Muss dagegen einer allein ran, dauert es ewig. Jeder allein könnte die Arbeit schaffen, zusammen aber geht es schneller und besser.
Redundanz und Kooperation werden zunehmend auch zu Arbeitsprinzipien in Astronomie und Raumfahrt. Das Very Large Array in den USA besteht aus 27 Radioteleskopen, die getrennt an verschiedenen oder gemeinsam in höchster Qualität an einer Aufgabe arbeiten können. Ähnlich verhält es sich auch bei verschiedenen optischen Teleskopen, wie dem KEK auf Hawaii oder dem Very Large Telescope auf dem Paranal in Chile. Neue Projekte kommen von EADS und ASTRON sowie vom MIT.

EADS und ASTRON wollen der ESA die Einrichtung eines Feldes vieler kleiner Radioteleskope auf dem Mond vorschlagen. Die einhundert mit Kabeln zu Energieversorgung und Datenaustausch verbundenen Einzelteleskope sollen in einem etwa kreisförmigen Bereich mit einem Durchmesser von 300 Metern auf der Mondrückseite angeordnet werden. Damit entfällt die störende Radiostrahlung von der Erde. Das erste Antennenfeld könnte 2013 zum Mond gebracht werden, falls sich die ESA bis 2008 für das Projekt entscheidet. Entwicklung, Bau, Start und zweijähriger Messbetrieb sollen etwa 1,3 Milliarden Euro kosten, als Träger käme eine modifizierte Ariane 5 zum Einsatz. Durch weitere Antennenfelder könnte das Teleskop auf eine Größe von 600 Kilometer gebracht werden.

Techniker am MIT dagegen wollen Hunderte kleiner Kugeln mit Messgeräten, Energieversorgung, Kommunikationseinrichtungen und einer Sprungmechanik ausrüsten und auf den Mars bringen. Weitgehend sollen dabei Bauteile „von der Stange“ verwendet werden, was sich positiv auf den Preis auswirken sollte. Mit bis zu Tausend Roboterkugeln könnten etwa 130 Quadratkilometer innerhalb kurzer Zeit erforscht werden. Jede Kugel untersucht die Bodenzusammensetzung in ihrer Umgebung, sendet ihre Daten an einen Orbiter, bringt sich in die richtige Position und springt mit Hilfe eines Federmechanismus ein paar Meter weiter. Die Anordnung der Kugeln auf einer größeren Fläche hingegen geschieht bereits bei der „Landung“. Die robusten Kugeln werden aus größerer Höhe abgeworfen und verteilen sich nach dem Zufallsprinzip. Auch wenn dabei einige verlorengehen, kann das Gesamtsystem seine Aufgabe voll und ganz erfüllen. Hauptproblem ist gegenwärtig die Energieversorgung. Derzeitige Planungen sehen Mini-Brennstoffzellen vor.

Externe Links:

http://www.space.eads.net/press-center/press-releases/radioteleskop-auf-dem-mond-geplant [Edit 2021: nicht mehr verfügbar]
https://news.mit.edu/2006/microbots

Der Beitrag Teleskopfelder und Robotergruppen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.