Gigantische Magnetfelder im Universum

Radiokarte des Relikts am Rand des Galaxienhaufens CIZA J2242+53 in ca. 2 Milliarden Lichtjahren Entfernung bei 3cm Wellenlänge. Maja Kierdorf et al., 2017, A&A 600, A18

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist unsere Milchstraße mit nur rund Hunderttausend Lichtjahren im Durchmesser sehr klein.

Galaxienhaufen bestehen aus einer großen Zahl von Sternsystemen wie unserer Milchstraße, heißem Gas, Magnetfeldern, geladenen Teilchen und Dunkler Materie von unbekannter Zusammensetzung. Die bei einer Kollision von Galaxienhaufen entstehende Stoßwelle komprimiert das heiße Gas und die Magnetfelder des Haufens. Die dadurch entstandenen bogenförmigen Gebilde fallen durch ihre Röntgen- und Radiostrahlung auf und werden „Relikte“ genannt.

Sie wurden im Jahr 1970 mit einem Radioteleskop bei Cambridge in England entdeckt. In rund 70 Galaxienhaufen konnten bis dato solche Relikte nachgewiesen oder Hinweise auf Relikte gefunden werden, aber es existieren sicher wesentlich mehr. Sie zeugen von gewaltigen Gasströmungen, die die Struktur des Universums beständig verändern.

Radiowellen eignen sich hervorragend, um Relikte aufzuspüren. Bei der Kompression werden die magnetischen Feldlinien geordnet, was sich auch auf die Radiostrahlung auswirkt. Fachleute sprechen hier von linearer Polarisation. Diesen Effekt konnten Forscher des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie Bonn (MPIfR), des Argelander-Institutes für Radioastronomie an der Universität Bonn (AIfA), der Thüringer Landessternwarte Tautenburg (TLS) sowie Kollegen aus Cambridge/USA in vier Galaxienhaufen nachweisen.

Dazu benutzten sie das 100-m-Radioteleskop des MPIfR in der Nähe von Bad Münstereifel-Effelsberg in der Eifel bei Wellenlängen von 3 cm und 6 cm. Diese kurzen Wellenlängen haben den Vorteil, dass die polarisierte Strahlung auf dem Weg durch den Galaxienhaufen und durch unsere eigene Milchstraße kaum geschwächt wird. Abb. 1 zeigt das prominenteste Beispiel.

In den vier beobachteten Haufen wurden linear polarisierte Relikte gefunden, in einem Fall erstmalig. Die Magnetfeldstärken sind etwa so hoch wie die in unserer Milchstraße. Die gemessenen Polarisationsgrade von bis zu 50% sind jedoch ungewöhnlich hoch, wie sie nur von geladenen Teilchen in einem extrem geordneten Magnetfeld erzeugt werden können.

„Mit 5-6 Millionen Lichtjahren Ausdehnung haben wir die bis jetzt größten zusammenhängenden Magnetfelder im Universum gefunden“, so die Projektleiterin Maja Kierdorf vom MPIfR Bonn, die Erstautorin der Veröffentlichung, die darüber ihre Master-Arbeit an der Universität Bonn schrieb. Ko-Autor Matthias Hoeft von der TLS Tautenburg entwickelte für dieses Projekt eine Methode, wie aus dem gemessenen Polarisationsgrad die Machzahl bestimmt werden kann, also das Verhältnis der relativen Geschwindigkeit zwischen den kollidierenden Gaswolken zur Schallgeschwindigkeit.

Die gefundenen Machzahlen von etwa zwei bedeuten, dass die Galaxienhaufen mit Geschwindigkeiten von etwa 2000 km/s aufeinandertreffen, deutlich höher als aus früheren Messungen der Röntgenstrahlung abgeleitet.

Die neuen Messungen mit dem Effelsberger Teleskop liefern den Nachweis, dass sich die Polarisationsrichtung der Radiostrahlung aus den Relikten mit der Wellenlänge ändert. Dieser nach dem englischen Physiker Michael Faraday benannte Effekt lässt vermuten, dass geordnete Magnetfelder auch zwischen den Galaxienhaufen existieren und, im Zusammenspiel mit heißem Gas, für die Drehung der Polarisationsrichtung verantwortlich sind. Solche Magnetfelder könnten noch viel größer sein als die Haufen selbst.

„Das Effelsberger Radioteleskop hat sich erneut als ideales Instrument zum Nachweis von Magnetfeldern im Universum erwiesen“, betont Ko-Autor Rainer Beck vom MPIfR, der sich seit über 40 Jahren mit diesem Thema beschäftigt. „Nun können wir Galaxienhaufen mithilfe der Radio-Polarisation systematisch nach geordneten Magnetfeldern absuchen.“

Das Forscherteam umfasst Maja Kierdorf, Rainer Beck, Matthias Hoeft, Uli Klein, Reinout van Weeren, William Forman, und Christine Jones. Maja Kierdorf, die Erstautorin, und Rainer Beck sind Mitarbeiter am MPIfR.

Originalveröffentlichung:
Relics in galaxy clusters at high radio frequencies, M. Kierdorf, R. Beck, M. Hoeft, U. Klein, R. J. van Weeren, W. R. Forman, and C. Jones, 2017, Astronomy & Astrophysics Astronomy & Astrophysics 600, A18 (22. März 2017): https://doi.org/10.1051/0004-6361/201629570

Kontakt:

Maja Kierdorf,
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49 228 525-180
E-mail: kierdorf@mpifr-bonn.mpg.de

Dr. Rainer Beck,
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Fon: +49 6221 528-323
E-mail: rbeck@mpifr-bonn.mpg.de

Dr. Norbert Junkes,
Press and Public Outreach
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49 228 525-399
E-mail: njunkes@mpifr-bonn.mpg.de

http://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressemeldungen/2017/4

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