Riesige Relikte im All

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 siebzig 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 diese Relikte aufzuspüren. Bei der Kompression werden die magnetischen Feldlinien geordnet, was sich auch auf die Radio­strahlung auswirkt. Es handelt sich hier um lineare 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-Meter-Radioteleskop des MPIfR in der Nähe von Bad Münstereifel-Effelsberg in der Eifel bei Wellenlängen von drei und sechs Zentimetern. Diese kurzen Wellen­längen haben den Vorteil, dass die polarisierte Strahlung auf dem Weg durch den Galaxien­haufen und durch unsere eigene Milchstraße kaum geschwächt wird.

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 fünfzig Prozent sind jedoch ungewöhnlich hoch, wie sie nur von geladenen Teilchen in einem extrem geordneten Magnetfeld erzeugt werden können. „Mit fünf bis sechs Millionen Lichtjahren Ausdehnung haben wir die bis jetzt größten zusammen­hängenden Magnetfelder im Universum gefunden“, so die Projektleiterin Maja Kierdorf vom MPIfR Bonn, 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 sich aus dem gemessenen Polarisations­grad die Machzahl bestimmen lässt, 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 Kilometern pro Sekunde 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 vierzig Jahren mit diesem Thema beschäftigt. „Nun können wir Galaxien­haufen mithilfe der Radio-Polarisation systematisch nach geordneten Magnet­feldern absuchen.“

MPIfR / DE