Neue Himmelskarte zeigt die Magnetfelder der Milchstraße mit höchster Präzision

Dabei arbeiteten Theoretiker des Max-Planck-Instituts für Astrophysik (MPA), die sich auf das neue Gebiet der Informationsfeldtheorie spezialisiert haben, und ein großes internationales Team von Radioastronomen zusammen. Die neue Karte zeigt nun nicht nur den gesamten Aufbau des galaktischen Magnetfeldes auf großen Skalen sondern auch kleinskalige Strukturen, die Aufschluss über turbulente Strömungen im galaktischen Gas geben.

Alle Galaxien sind von Magnetfeldern durchzogen, so auch unsere Milchstraße. Dabei folgen die Magnetfeldlinien zum Teil den Bewegungen des galaktischen Gases, können aber auch die Ursache für derartige Bewegungen sein. Trotz intensiver Forschung ist der Ursprung der Magnetfelder noch immer unbekannt. Man nimmt aber an, dass sie durch Dynamoprozesse aufgebaut werden, bei denen mechanische Energie in magnetische Energie umgewandelt wird. Ähnliche Prozesse laufen im Innern der Erde, der Sonne und im weitesten Sinn auch in Fahrraddynamos ab. Die neue Karte galaktischer Magnetfelder liefert nun neue Einblicke in die Maschinerie des galaktischen Dynamos.

Eine Möglichkeit die kosmischen Magnetfelder zu messen bietet der seit über 150 Jahren bekannte Faraday-Effekt. Dabei wird die Polarisationsebene von polarisiertem Licht, das durch ein magnetisiertes Medium fällt, gedreht. Das Ausmaß dieser Drehung hängt unter anderem von der Magnetfeldstärke und -richtung ab und erlaubt es somit, diese Eigenschaften zu untersuchen.

Um das Magnetfeld unserer eigenen Galaxie zu messen, benutzen Radioastronomen das polarisierte Licht entfernter Radiogalaxien, welches auf seinem Weg zu uns die Milchstraße durchqueren muss. Die dabei auftretende Drehung der Polarisation durch den Faraday-Effekt kann durch Messungen bei verschiedenen Frequenzen rekonstruiert werden. Damit können die Astronomen für die Sichtlinien zu den so vermessenen Radiogalaxien die Stärke des Faraday-Effektes bestimmen und erhalten somit Information über das galaktische Magnetfeld.

Um aus den Faraday-Messungen ein Bild der Magnetfelder der Milchstraße zu erhalten, müssen an möglichst dicht verteilten Himmelspunkten solche Radiogalaxien hinter der Milchstraße beobachtet werden. Doch wurden insbesondere am Südhimmel bisher nur wenige Messungen vorgenommen. Der von den 26 Radioastronomen des Projektes beigesteuerte Datensatz umfasst 41.330 Einzelmessungen und somit im Durchschnitt etwa eine Radiogalaxie pro Quadratgrad des Himmels.

Um eine möglichst realistische Karte des gesamten Himmels zu erhalten, muss also zwischen den vorhandenen Messpunkten interpoliert werden, wobei zwei Schwierigkeiten auftreten: Die jeweiligen Messgenauigkeiten variieren stark, deshalb sollten genauere Messungen ein größeres Gewicht bekommen. Außerdem ist nicht bekannt, wie groß die Himmelsregion ist, über die ein Messpunkt noch zuverlässig Informationen über seine Umgebung liefert. Diese Entfernung muss also direkt aus den Daten selbst erschlossen und korrekt berücksichtigt werden.

Dem nicht genug, gibt es noch ein weiteres Problem: Aufgrund des höchst komplexen Messvorgangs sind die Messunsicherheiten selbst unsicher. So kommt es vor, dass der tatsächliche Messfehler für einen kleinen aber signifikanten Teil der Daten mehr als zehnmal so groß ist, wie von den Radioastronomen angegeben. Die vermeintliche Genauigkeit dieser Ausreißer kann die Faraday-Karte galaktischer Magnetfelder stark verfälschen, sofern keine entsprechende Fehlerkorrektur vorgenommen wird.

Für derlei problematische Daten haben Wissenschaftler am MPA einen neuartigen Algorithmus zur Bildrekonstruktion entwickelt, den “erweiterten kritischen Filter”. Das Team nutzt dabei Methoden der neuen Informationsfeldtheorie, die logische und statistische Methoden auf Felder mit ungenauen Fehlerangaben anwendet. Dieser Ansatz ist so allgemein, dass er für eine Vielzahl von Bild- und Signal-verarbeitenden Anwendungen in Astronomie, Medizin und Geographie von Nutzen sein kann.

Neben der detaillierten Faradaykarte (Abb. 1) liefert der Algorithmus auch eine Karte der verbleibenden Unsicherheiten (Abb. 2), die insbesondere in der galaktischen Scheibe und in der weniger gut beobachteten Region um den Himmelssüdpol (rechter unterer Quadrant) deutlich größer sind. Um die Strukturen im galaktischen Magnetfeld hervorzuheben, ist in Abb. 3 der Effekt der galaktischen Scheibe heraus gerechnet worden, sodass schwächere Strukturen ober- und unterhalb der galaktischen Scheibe besser sichtbar sind.

Dadurch zeigt sich neben dem auffälligen horizontalen Band der Gasscheibe unserer Milchstraße in der Bildmitte, dass die Magnetfeldrichtungen ober- und unterhalb der Scheibe entgegengesetzt zu sein scheinen. Ein analoger Richtungswechsel findet auch an der vertikalen Mittellinie statt, die durch das Zentrum der Milchstraße verläuft.

Ein spezielles Szenario des galaktischen Dynamos sagt genau diese symmetrischen Strukturen voraus; dieses wird somit durch die neu erstellte Karte unterstützt. Die Magnetfeldlinien laufen in diesem Szenario parallel zur Ebene der galaktischen Scheibe kreis- oder spiralförmig um das galaktische Zentrum, wobei sie oberhalb und unterhalb der Scheibe entgegengesetzte Richtungen haben (Abb. 3). Von unserer Randposition in der galaktischen Scheibe aus gesehen entstehen daher die beobachteten Symmetrien der Faradaykarte.

Neben diesen großskaligen Strukturen sind aber auch diverse kleinere Strukturen zu sehen, die mit turbulenten Verwirbelungen und Verklumpungen im äußerst dynamischen Gas der Milchstraße zusammenhängen. Die neue Methode liefert als Nebenprodukt eine Charakterisierung der Größenverteilung dieser turbulenten Strukturen, das sogenannte Leistungsspektrum, wobei größere Strukturen stärker ausgeprägt sind als kleinere, wie es für Turbulenz typisch ist. Dieses Spektrum kann direkt mit Vorhersagen aufwändiger Computersimulationen der turbulenten Gas- und Magnetfelddynamik unserer Galaxie verglichen werden und erlaubt somit, galaktische Dynamomodelle im Detail zu testen.

Die neue Magnetfeldkarte ist aber nicht nur zum Studium unserer Galaxie interessant, auch zukünftige Studien extragalaktischer Magnetfelder werden auf diese Karte zurückgreifen, um den galaktischen Anteil der Messungen abziehen zu können. Von der nächsten Generation an Radioteleskopen wie LOFAR, eVLA, ASKAP, MeerKAT und dem SKA wird in den kommenden Jahren und Jahrzehnten eine Fülle von neuen Messungen des Faraday-Effekts erwartet. Diese wird in Aktualisierungen der Karte einfließen, um das Bild des Faraday-Himmels weiter zu verfeinern. Vielleicht wird diese Karte dann einmal den Weg zum verborgenen Ursprung der galaktischen Magnetfelder weisen.

Originalveröffentlichung:

Niels Oppermann, Henrik Junklewitz, Georg Robbers, Mike R. Bell, Torsten A. Enßin, Annalisa Bonafede, Robert Braun, Jo-Anne C. Brown, Tracy E. Clarke, Ilana J. Feain, Bryan M. Gaensler, Alison Hammond, Lisa Harvey-Smith, George Heald, Melanie Johnston-Hollitt, Uli Klein, Phil P. Kronberg, S. Ann Mao, Naomi M. McClure-Griffiths, Shane P. O'Sullivan, Luke Pratley, Tim Robishaw, Subhashis Roy, Dominic H.F.M. Schnitzeler, Carlos Sotomayor-Beltran, Jamie Stevens, Jeroen M. Stil, Caleb Sunstrum, Anant Tanna, A. Russell Taylor, and Cameron L. Van Eck, „An improved map of the galactic Faraday sky“, 2011, submitted

http://arxiv.org/abs/1111.6186

Niels Oppermann, Georg Robbers, Torsten A. Enßlin, „Reconstructing signals from noisy data with unknown signal and noise covariances“, 2011, Physical Review E 84, 041118

http://arxiv.org/abs/1107.2384

Torsten A. Enßlin, Mona Frommert, Francisco S. Kitaura, „Information field theory for cosmological perturbation reconstruction and non-linear signal analysis“, 2009, Phys. Rev. D 80, 105005

http://arxiv.org/abs/0806.3474

Kontakt:

Niels Oppermann
Tel. 089 30000-2269
E-mail: noppermann@mpa-garching.mpg.de
Torsten Enßlin
Tel. 089 30000-2243
E-mail: tensslin@mpa-garching.mpg.de
Hannelore Hämmerle
Tel. 089 30000-3980
E-mail: pr@mpa-garching.mpg.de