Dass Spiralgalaxien Magnetfelder haben, ist seit weit über einem halben Jahrhundert bekannt (und Vorhersagen, dass sie existieren sollten, gingen der Entdeckung um mehrere Jahre voraus), und die Magnetfelder einiger Galaxien wurden sehr detailliert kartiert.
Aber wie kamen diese Magnetfelder zu den Eigenschaften, die wir beobachten? Und wie bleiben sie bestehen?
Ein kürzlich veröffentlichtes Papier der britischen Astronomen Stas Shabala, James Mead und Paul Alexander enthält möglicherweise Antworten auf diese Fragen, wobei vier physikalische Prozesse eine Schlüsselrolle spielen: Einströmen von kühlem Gas auf die Scheibe, Supernova-Rückkopplung (diese beiden erhöhen die magnetohydrodynamischen Turbulenzen), Sternentstehung (dies entfernt Gas und damit turbulente Energie aus dem kalten Gas) und differentielle galaktische Rotation (dies überträgt kontinuierlich Feldenergie aus dem inkohärenten Zufallsfeld in ein geordnetes Feld). Es ist jedoch mindestens ein weiterer Schlüsselprozess erforderlich, da die Modelle der Astronomen nicht mit den beobachteten Feldern massereicher Spiralgalaxien übereinstimmen.
„Die Radiosynchrotronemission hochenergetischer Elektronen im interstellaren Medium (ISM) weist auf das Vorhandensein von Magnetfeldern in Galaxien hin. Rotationsmaße (RM) von polarisierten Hintergrundquellen zeigen zwei Arten von Feldern an: ein zufälliges Feld, das auf Skalen, die größer als die Turbulenzen des ISM sind, nicht kohärent ist; und ein spiralförmig geordnetes Feld, das eine großräumige Kohärenz aufweist “, schreiben die Autoren. „Für eine typische Galaxie haben diese Felder Stärken von wenigen μG. In einer Galaxie wie M51 wird beobachtet, dass das kohärente Magnetfeld mit den optischen Spiralarmen assoziiert ist. Solche Felder sind wichtig für die Sternentstehung und die Physik der kosmischen Strahlung und könnten sich auch auf die Galaxienentwicklung auswirken. Trotz ihrer Bedeutung bleiben Fragen zu Ursprung, Entwicklung und Struktur weitgehend ungelöst. “
Dieses Feld in der Astrophysik macht rasante Fortschritte. Das Verständnis, wie das Zufallsfeld erzeugt wird, hat sich erst in den letzten zehn Jahren ziemlich gut etabliert (es wird durch Turbulenzen im ISM erzeugt, das als einphasige magnetohydrodynamische (MHD) modelliert wird. Flüssigkeit, in der Magnetfeldlinien eingefroren sind). Andererseits ist die Erzeugung des großen Feldes durch Wickeln der Zufallsfelder zu einer Spirale durch Differenzialrotation (ein Dynamo) seit viel länger bekannt.
Die Details, wie sich das geordnete Feld in Spiralen gebildet hat, als sich diese Galaxien selbst gebildet haben - innerhalb weniger hundert Millionen Jahre nach der Entkopplung von baryonischer Materie und Strahlung (die den kosmischen Mikrowellenhintergrund hervorgebracht hat, den wir heute sehen) - werden durch Tests klar Diese Hypothesen sind beobachtend noch nicht möglich (nur sehr wenige Galaxien mit hoher Rotverschiebung wurden in der optischen und NIR-Periode untersucht, geschweige denn ihre Magnetfelder wurden detailliert abgebildet).
„Wir präsentieren den ersten (nach unserem Kenntnisstand) Versuch, Magnetfelder in ein selbstkonsistentes Modell zur Bildung und Evolution von Galaxien einzubeziehen. Eine Reihe von Galaxieneigenschaften werden vorhergesagt, und wir vergleichen diese mit den verfügbaren Daten “, sagen Shabala, Mead und Alexander. Sie beginnen mit einem analytischen Modell zur Bildung und Entwicklung von Galaxien, das „Gaskühlung, Sternentstehung und verschiedene Rückkopplungsprozesse in einem kosmologischen Kontext verfolgt. Das Modell reproduziert gleichzeitig die lokalen Galaxieneigenschaften, die Sternentstehungsgeschichte des Universums, die Entwicklung der Sternmassenfunktion auf z ~ 1,5 und den frühen Aufbau massereicher Galaxien. “ Im Zentrum des Modells stehen die turbulente kinetische Energie des ISM und die zufällige Magnetfelderergie: Beide werden auf Zeitskalen gleich, die auf kosmologischen Zeitskalen augenblicklich sind.
Die Treiber sind somit die physikalischen Prozesse, die Energie in das ISM einspeisen und ihm Energie entziehen.
"Eine der wichtigsten Quellen für die Energieinjektion in das ISM sind Supernovae", schreiben die Autoren. "Sternentstehung entfernt, wie zu erwarten, turbulente Energie, und Gas, das sich aus dem Halo der dunklen Materie ansammelt, lagert seine potentielle Energie in Turbulenzen ab." In ihrem Modell gibt es nur vier freie Parameter - drei beschreiben die Effizienz der Prozesse, die Turbulenzen zum ISM hinzufügen oder daraus entfernen, und einer, wie schnell geordnete Magnetfelder aus zufälligen entstehen.
Sind Shabala, Mead und Alexander von ihren Ergebnissen begeistert? Sie sind der Richter: „Zum Testen der Modelle werden zwei lokale Proben verwendet. Das Modell reproduziert Magnetfeldstärken und Funkleuchtdichten in einer Vielzahl von Galaxien mit niedriger und mittlerer Masse. “
Und was ist ihrer Meinung nach erforderlich, um die detaillierten astronomischen Beobachtungen von Spiralgalaxien mit hoher Masse zu erklären? "Die Einbeziehung des Gasausstoßes durch leistungsstarke AGNs ist erforderlich, um die Gaskühlung zu löschen."
Es versteht sich von selbst, dass die nächste Generation von Radioteleskopen - EVLA, SKA und LOFAR - alle Modelle von Magnetfeldern in Galaxien (nicht nur Spiralen) viel strengeren Tests unterziehen wird (und sogar Hypothesen zur Bildung dieser Felder ermöglichen wird). vor über 10 Milliarden Jahren getestet werden).
Quelle: Magnetfelder in Galaxien: I. Funkscheiben in lokalen Galaxien vom späten Typ
