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Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg

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Originalpublikation

1.
R. Shanahan et al.
Strong excess Faraday rotation on the Inside of the Sagittarius spiral arm

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Heißes Gas füttert die Spiralarme der Milchstraße

Magnetfelder weisen den Weg zum Material, das die Sternentstehung in der Milchstraße aufrechterhält

14. Januar 2020

Ein internationales Forschungsteam, mit wesentlicher Beteiligung von Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA), hat wichtige Erkenntnisse darüber gewonnen, woher das Material in den Spiralarmen der Milchstraße stammt, aus dem sich letztendlich neue Sterne formen. Durch die Analyse von Eigenschaften des galaktischen Magnetfelds konnten sie zeigen, dass das dünn verteilte sogenannte Warme Ionisierte Medium (WIM), in das die Milchstraße eingebettet ist, sich in der Nähe eines Spiralarms verdichtet. Während es allmählich abkühlt, dient es als Nachschub für das kältere Material aus Gas und Staub, das die Sternentstehung füttert.
Falschfarbendarstellung der Radioemission in der Milchstraße aus der THOR-Durchmusterung bei einer Wellenlänge von etwa 21 cm. Der jeweils obere Streifen (1.4 GHz continuum) zeigt die Emission von unterschiedlichen Quellen, während die unteren Bänder die Verteilung von atomarem Wasserstoff wiedergibt. Bild vergrößern
Falschfarbendarstellung der Radioemission in der Milchstraße aus der THOR-Durchmusterung bei einer Wellenlänge von etwa 21 cm. Der jeweils obere Streifen (1.4 GHz continuum) zeigt die Emission von unterschiedlichen Quellen, während die unteren Bänder die Verteilung von atomarem Wasserstoff wiedergibt. [weniger]

Die Milchstraße ist eine Spiralgalaxie, eine scheibenförmige Sterneninsel im Kosmos, in der sich die meisten hellen und jungen Sterne in Spiralarmen anhäufen. Dort entstehen sie aus dem dichten Interstellaren Medium (ISM), das aus Gas (insbesondere Wasserstoff) und Staub (mikroskopische Körper mit hohen Anteilen an Kohlenstoff und Silizium) besteht und sich auf Bildern als dunkles Band vor dem Sternenhintergrund abhebt. Damit stetig neue Sterne entstehen können, muss laufend Material in die Spiralarme gespült werden, welches den Vorrat an Gas und Staub wieder auffüllt.

Eine Gruppe von Astronomen der Universität Calgary in Kanada, des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg und anderen Forschungseinrichtungen konnte nun zeigen, dass der Nachschub von einer deutlich heißeren Komponente des ISM stammt, die gewöhnlich die gesamte Milchstraße einhüllt. Dieses Warme Ionisierte Medium (WIM) hat eine mittlere Temperatur von 10,000 Grad. Energiereiche Strahlung von heißen Sternen führt dazu, dass das Wasserstoffgas des WIM größtenteils ionisiert ist. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass das WIM sich in einem schmalen Bereich nahe eines Spiralarms verdichtet und allmählich unter Abkühlung hineinfließt.

Ausschnitt der THOR-Durchmusterung in der Nähe des Sagittariusarms der Milchstraße. Die Kreuze zeigen die Position der Quellen mit polarisierter Radiostrahlung an. Ihre Größe entspricht der Stärke des Effekts der Faradayrotation. Die stärksten Signale wurden in einem eher unscheinbaren Streifen rechts von den hellen Objekten in der Mitte des Bildes gemessen. Die starken Radioquellen signalisieren die Lage des Spiralarms. Bild vergrößern
Ausschnitt der THOR-Durchmusterung in der Nähe des Sagittariusarms der Milchstraße. Die Kreuze zeigen die Position der Quellen mit polarisierter Radiostrahlung an. Ihre Größe entspricht der Stärke des Effekts der Faradayrotation. Die stärksten Signale wurden in einem eher unscheinbaren Streifen rechts von den hellen Objekten in der Mitte des Bildes gemessen. Die starken Radioquellen signalisieren die Lage des Spiralarms. [weniger]

Dem dichten WIM auf die Spur gekommen sind die Wissenschaftler durch die Vermessung der sogenannten Faradayrotation, einem Effekt, der nach dem englischen Physiker Michael Faraday benannt ist. Dabei ändert sich die Polarisationsrichtung von linear polarisierter Radiostrahlung, wenn sie durch ein Plasma (ionisiertes Gas) läuft, das von einem Magnetfeld durchzogen ist. Man spricht von polarisierter Strahlung, wenn das elektrische Feld nur in einer Ebene schwingt. Gewöhnliches Licht ist nicht polarisiert. Das Ausmaß der Richtungsänderung der Polarisation hängt zudem von der beobachteten Wellenlänge ab.

In der vorliegenden Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde, konnten die Astronomen ein ungewöhnlich starkes Signal in einem eher unscheinbaren Bereich der Milchstraße ermitteln, der sich unmittelbar an der Seite des Sagittariusarms der Milchstraße anschmiegt, die dem Galaktischen Zentrum zugewandt ist. Der Spiralarm selber sticht in den Bilddaten durch starke Radiostrahlung heraus, die von eingebetteten heißen Sternen und Supernovaüberreste erzeugt wird. Die stärkste Verschiebung der Polarisation findet sich jedoch außerhalb dieser markanten Zone. Daraus folgern die Astronomen, dass die erhöhte Faradayrotation nicht innerhalb dieses aktiven Teils des Spiralarms entspringt. Demnach stammt es von verdichtetem WIM, welches wie das Magnetfeld zu einer weniger offensichtlichen Komponente des Spiralarms gehört.

Illustration ausgewählter Blickrichtungen innerhalb der Milchstraße, der in etwa den untersuchten Bereich abdeckt. Der Stern gibt den Ort der Erde an. Der grüne Bogen zeichnet die vermutete Lage des verdichteten Warmen Interstellaren Mediums (WIM) an. Die weiße Sichtlinie, die diesen Bereich entlang der längsten Strecke durchstößt, entspricht der Position mit dem stärksten Effekt der Faradayrotation. Die orange Sichtlinie passiert das WIM auf kürzeren Strecken und beobachtet somit einen schwächeren Effekt. Die geringsten Beiträge liefern die Sichtlinien links außerhalb (grün) und innerhalb des Spiralarms (gelb). Bild vergrößern
Illustration ausgewählter Blickrichtungen innerhalb der Milchstraße, der in etwa den untersuchten Bereich abdeckt. Der Stern gibt den Ort der Erde an. Der grüne Bogen zeichnet die vermutete Lage des verdichteten Warmen Interstellaren Mediums (WIM) an. Die weiße Sichtlinie, die diesen Bereich entlang der längsten Strecke durchstößt, entspricht der Position mit dem stärksten Effekt der Faradayrotation. Die orange Sichtlinie passiert das WIM auf kürzeren Strecken und beobachtet somit einen schwächeren Effekt. Die geringsten Beiträge liefern die Sichtlinien links außerhalb (grün) und innerhalb des Spiralarms (gelb). [weniger]

Die Analyse basiert auf der THOR-Durchmusterung (The HI/OH Recombination Line Survey of the Milky Way), die seit einigen Jahren am MPIA erstellt und in der ein großer Bereich der Milchstraße bei mehreren Radiowellenlängen beobachtet wird. Polarisierte Strahlungsquellen wie weit entfernte Quasare oder Neutronensterne dienen als „Sonden“ zur Bestimmung der Faradayrotation. Somit können die Astronomen nicht nur die ansonsten schwierig zu vermessenden Magnetfelder in der Milchstraße ausfindig machen, sondern die Struktur und Eigenschaften des heißen Gases ergründen. „Das starke Signal in einem eher unauffälligen Bereich der Milchstraße hat uns sehr überrascht“, sagt Henrik Beuther vom MPIA, der das THOR-Projekt leitet. „Diese Ergebnisse zeigen uns, dass es bei der Erforschung der Struktur und der Dynamik der Milchstraße immer noch viel zu entdecken gibt.“

Kollaboration

Diese Studie wurde ermöglicht durch eine Kooperation der folgenden Forschungseinrichtungen:

Department of Physics and Astronomy, The University of Calgary, Kanada; Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland; Department of Physics and Astronomy, West Virginia University, USA; Green Bank Observatory, USA; Center for Gravitational Waves and Cosmology, West Virginia University, USA; Argelander-Institut für Astronomie, Universität Bonn, Deutschland; Zentrum für Astronomie, Universität Heidelberg, Deutschland; Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, USA; Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen, Universität Heidelberg, Deutschland; Research School of Astronomy and Astrophysics, The Australian National University, Canberra, Australien; Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Deutschland; Jodrell Bank Centre for Astrophysics, The University of Manchester, Großbritannien

 
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