Die Milchstraße hat ein eigenes Magnetfeld. Es ist im Vergleich zur Erde extrem schwach; sogar tausendmal schwächer. Aber Astronomen wollen mehr darüber wissen, weil es uns über Sternentstehung, kosmische Strahlung und eine Vielzahl anderer astrophysikalischer Prozesse sagen kann.
Ein Team von Astronomen der Curtin University in Australien und der CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization) haben das Magnetfeld der Milchstraße untersucht und den umfassendsten Katalog von Messungen des Magnetfelds der Milchstraße in 3D veröffentlicht.
Das Papier trägt den Titel „ Niederfrequenz-Faraday-Rotation misst in Richtung Pulsare mit LOFAR: Sondierung des 3D-Galaktischen Halo-Magnetfelds .“ Es wurde im April 2019 in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht. Die Hauptautorin ist Dr. Charlotte Sobey, Universitätsassistentin an der Curtin University. Das Team umfasst Wissenschaftler aus Kanada, Europa und Südafrika.
Das Team arbeitete mit LOFAR, oder dem Niederfrequenz-Array , ein europäisches Radioteleskop. LOFAR arbeitet in Funkfrequenzen unter 250 MHz und besteht aus vielen Antennen, die über ein Gebiet von 1500 km in Europa verteilt sind, mit seinem Kern in den Niederlanden.
LOFAR-Standorte sind über ganz Europa verteilt, mit dem konzentrierten zentralen Kern in den Niederlanden. Bildquelle: LOFAR
Das Team stellte den bisher umfangreichsten Katalog zu magnetischen Feldstärken und Richtungen zu Pulsaren zusammen. Mit diesen Daten konnten sie die abnehmende Feldstärke der Milchstraße mit der Entfernung von der Ebene der Galaxie, in der sich die Spiralarme befinden, abschätzen.
In einer Pressemitteilung sagte Hauptautor Sobey: „Wir haben Pulsare verwendet, um das Magnetfeld der Galaxie effizient in 3D zu untersuchen. Pulsare sind in der Milchstraße verteilt und das dazwischenliegende Material in der Galaxie beeinflusst ihre Radiowellenemission.“
Freie Elektronen und das Magnetfeld in unserer Galaxie zwischen dem Pulsar und uns beeinflussen die von den Pulsaren emittierten Radiowellen. In einem E-Mail-Interview mit Dr. Sobey sagte sie uns: „Obwohl diese Effekte korrigiert werden müssen, um die Signale der Pulsare zu studieren, sind sie wirklich nützlich, um Informationen über unsere Galaxie zu liefern, die sonst nicht möglich wären.“
Eine Illustration eines Pulsars. Pulsare emittieren elektromagnetische Energie entlang der magnetischen Achse. Bildquelle: NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab
Während die Radiowellen des Pulsars durch die Galaxie wandern, unterliegen sie aufgrund der dazwischenliegenden freien Elektronen einem Effekt namens Dispersion. Dies bedeutet, dass höherfrequente Funkwellen früher ankommen als niederfrequente Wellen. Daten von LOFAR ermöglichen es Astronomen, diesen Unterschied zu messen, der als „Dispersionsmaß“ oder DM bezeichnet wird. DM sagt den Astronomen, wie viele freie Elektronen sich zwischen uns und dem Pulsar befinden. Wenn der DM höher ist, bedeutet dies, dass entweder der Pulsar weiter entfernt ist oder das interstellare Medium dichter ist.
Das ist nur einer der Faktoren bei der Messung des Magnetfelds der Milchstraße. Der andere betrifft die Elektronendichte und das Magnetfeld des interstellaren Mediums.
Pulsaremissionen sind oft polarisiert, und wenn polarisiertes Licht mit einem Magnetfeld durch ein Plasma wandert, dreht sich die Rotationsebene. Das heißt Faraday-Rotation oder der Faraday-Effekt. Radioteleskope können diese Rotation messen, und sie wird als Faraday-Rotationsmaß (RM) bezeichnet. Dr. Sobey sagt: „Dies sagt uns die Anzahl der freien Elektronen und die Stärke des Magnetfelds parallel zur Sichtlinie sowie die Nettorichtung. Je größer der absolute RM bedeutet, dass aufgrund größerer Entfernungen oder in Richtung der Ebene der Galaxie mehr Elektronen und/oder größere Feldstärken vorhanden sind.“
Mit diesen Daten schätzten die Forscher dann die durchschnittliche magnetische Feldstärke der Milchstraße in Richtung jedes Pulsars im Katalog, indem sie das Rotationsmaß durch das Ausbreitungsmaß dividierten. Und so haben sie die Karte erstellt. Jede einzelne Pulsarmessung ist ein Punkt auf der Karte. Wie Dr. Sobey gegenüber Universe Today sagte: „Wenn wir diese Messungen für eine große Anzahl von Pulsaren (mit Entfernungsmessungen oder -schätzungen) erhalten, können wir eine Karte der Struktur der galaktischen Elektronendichte und des Magnetfelds in 3D rekonstruieren.“
Eine Darstellung, wie unsere Galaxie am Himmel aussehen würde, wenn wir Magnetfelder sehen könnten. Die Ebene der Galaxie verläuft horizontal durch die Mitte, und die Richtung des galaktischen Zentrums ist die Mitte der Karte. Rot-rosa Farben zeigen zunehmende galaktische Magnetfeldstärken, wo die Richtung zur Erde zeigt. Blau-violette Farben zeigen zunehmende galaktische Magnetfeldstärken, wo die Richtung von der Erde weg zeigt. Der Hintergrund zeigt das Signal, das mit Quellen außerhalb unserer Galaxie rekonstruiert wurde. Die Punkte zeigen die aktuellen Messwerte für Pulsare. Die Quadrate zeigen die Messungen dieser Arbeit unter Verwendung von LOFAR-Pulsarbeobachtungen. Bildquelle: Sobey et al, 2019.
Was bringt es also, eine 3D-Karte der magnetischen Struktur der Milchstraße zu haben?
Das Magnetfeld der Galaxie beeinflusst alle Arten von astrophysikalischen Prozessen über verschiedene Stärke- und Entfernungsskalen.
Das Magnetfeld formt den Weg, dem die kosmische Strahlung folgt. Wenn Astronomen also eine entfernte Quelle kosmischer Strahlung untersuchen, wie einen aktiven galaktischen Kern (AGN), kann ihnen die Kenntnis der Stärke des Magnetfelds helfen, ihr Studienobjekt zu verstehen.
Auch das Magnetfeld der Galaxie spielt bei der Sternentstehung eine Rolle. Obwohl der Effekt nicht vollständig verstanden ist, kann die Stärke eines Magnetfelds Molekülwolken beeinflussen. Dr. Sobey sagte gegenüber UT: „Auf kleineren Skalen (in der Größenordnung von Parsec) spielen Magnetfelder eine Rolle bei der Sternentstehung, wobei ein zu schwaches oder starkes Feld in einer Molekülwolke möglicherweise den Kollaps einer Wolke zu einem Sternsystem verhindert.“ .“
Dr. Sobey chillt in einem Teleskop. Bildquelle: CSIRO
Dieser neue Katalog basiert auf Beobachtungen von 137 Pulsaren am Nordhimmel. Die Autoren sagen, dass ihr Katalog „die Präzision bestehender RM-Messungen im Durchschnitt um den Faktor 20 verbessert…“ Sie sagen auch: „Insgesamt liefert unser anfänglicher Niederfrequenz-Katalog wertvolle Informationen über die 3D-Struktur des galaktischen Magnetfelds.“
Aber Dr. Sobey ist noch nicht fertig mit der Kartierung der magnetischen Feldstärke der Milchstraße. Sie benutzt jetzt Australiens Murchison Widefield Array um das Magnetfeld am Südhimmel zu kartieren. Und beide dieser Kartierungsbemühungen führen zu etwas Besserem.
Künstlerische Darstellung des zentralen Kerns von Square Kilometre Array (SKA)-Antennen mit einem Durchmesser von 5 km. Bildquelle: SPDO/TDP/DRAO/Swinburne Astronomy Productions – SKA Project Development Office und Swinburne Astronomy Productions
Das größte Radioteleskop der Welt befindet sich derzeit in der Planungsphase. Es heißt die Quadratkilometer-Array (SKA) und wird sowohl in Australien als auch in Südafrika gebaut. Seine Empfangsstationen werden sich von seinem zentralen Kern auf 3.000 Kilometer (1900 Meilen) erstrecken. Seine enorme Größe und der Abstand zwischen den Empfängern werden uns unsere Bilder mit der höchsten Auflösung in der gesamten Astronomie liefern.
In einem CSIRO-Blogbeitrag sagte Dr. Sobey: „Meine zukünftige Arbeit wird sich darauf konzentrieren, mit dem SKA-Teleskop, das derzeit in die Endphase der Planungsphase geht, auf die Wissenschaft zu bauen. Ein langfristiges Ziel der SKA-Wissenschaft ist es, unser Verständnis unserer Galaxie zu revolutionieren, einschließlich der Erstellung einer detaillierten Karte der Struktur unserer Galaxie (was schwierig ist, weil wir uns darin befinden!), insbesondere ihres Magnetfelds.“
Das Magnetfeld der Milchstraße wird sich nirgendwo verstecken können.
