Die mysteriösen Filamente der Milchstraße haben „ältere, entfernte Cousins“

Der Astrophysiker Farhad Zadeh von der Northwestern University war fasziniert und verwirrt von einer Familie großflächiger, hoch organisierter magnetischer Filamente, die im Zentrum der Milchstraße baumeln, seit er sie Anfang der 1980er Jahre zum ersten Mal entdeckte.

Jetzt, 40 Jahre später, ist Zadeh immer noch genauso fasziniert – aber vielleicht etwas weniger verwirrt.

Mit einer neuen Entdeckung ähnlicher Filamente in anderen Galaxien haben Zadeh und seine Mitarbeiter zum ersten Mal zwei mögliche Erklärungen für die unbekannte Herkunft der Filamente eingeführt. In einem neuen Papier, das Anfang dieses Monats in veröffentlicht wurde Die Briefe des astrophysikalischen Journalsschlagen Zadeh und seine Co-Autoren vor, dass die Filamente aus einer Wechselwirkung zwischen großräumigem Wind und Wolken resultieren oder aus Turbulenzen in einem schwachen Magnetfeld entstehen könnten.

„Wir wissen viel über die Filamente in unserem eigenen galaktischen Zentrum, und jetzt beginnen sich Filamente in äußeren Galaxien als eine neue Population extragalaktischer Filamente zu zeigen“, sagte Zadeh. „Die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen für beide Populationen von Filamenten sind trotz der sehr unterschiedlichen Umgebungen ähnlich. Die Objekte gehören zur selben Familie, aber die Filamente außerhalb der Milchstraße sind ältere, entfernte Cousins ​​– und ich meine sehr weit entfernt (in Zeit und Raum ) Cousins.“

Als Experte für Radioastronomie ist Zadeh Professor für Physik und Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences im Nordwesten und Mitglied des Zentrums für interdisziplinäre Erforschung und Forschung in der Astrophysik (CIERA).

„Etwas Universelles passiert“

Die ersten von Zadeh entdeckten Filamente waren bis zu 150 Lichtjahre lang und ragten in der Nähe des zentralen supermassiven Schwarzen Lochs der Milchstraße auf. Anfang dieses Jahres fügte Zadeh seiner Sammlung von Beobachtungen fast 1.000 weitere Filamente hinzu. In diesem Stapel erscheinen die eindimensionalen Filamente in Paaren und Clustern, oft in gleichen Abständen nebeneinander gestapelt, Seite an Seite wie Saiten auf einer Harfe oder seitwärts verschüttet wie einzelne Wellen in einem Wasserfall.

Mithilfe von Beobachtungen von Radioteleskopen entdeckte Zadeh, dass die rätselhaften Filamente aus Elektronen der kosmischen Strahlung bestehen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit entlang eines Magnetfelds kreisen. Obwohl er das Puzzle zusammensetzt, woraus die Fäden bestehen, fragte sich Zadeh immer noch, woher sie kamen. Als Astronomen eine neue Population außerhalb unserer eigenen Galaxie entdeckten, bot dies neue Möglichkeiten, die physikalischen Prozesse im Raum um die Filamente herum zu untersuchen.

Die neu entdeckten Filamente befinden sich in einem Galaxienhaufen, einem konzentrierten Gewirr aus Tausenden von Galaxien, das sich eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Einige der Galaxien innerhalb des Haufens sind aktive Radiogalaxien, die Brutstätten für die Bildung großflächiger magnetischer Filamente zu sein scheinen. Als Zadeh diese neu freigelegten Filamente zum ersten Mal sah, war er erstaunt.

„Nachdem ich all die Jahre Filamente in unserem eigenen galaktischen Zentrum studiert hatte, war ich sehr aufgeregt, diese unglaublich schönen Strukturen zu sehen“, sagte er. „Weil wir diese Filamente anderswo im Universum gefunden haben, deutet dies darauf hin, dass etwas Universelles passiert.“

Galaktische Riesen

Obwohl die neue Population von Filamenten denen in unserer Milchstraße ähnlich sieht, gibt es einige wesentliche Unterschiede. Die Filamente außerhalb der Milchstraße sind beispielsweise viel größer – zwischen 100- und 10.000-mal länger. Sie sind auch viel älter und ihre Magnetfelder sind schwächer. Die meisten von ihnen hängen seltsamerweise – in einem 90-Grad-Winkel – von den Jets eines Schwarzen Lochs in das weite Nichts des Intracluster-Mediums oder den Raum, der zwischen den Galaxien innerhalb des Clusters eingekeilt ist.

Aber die neu entdeckte Population hat das gleiche Verhältnis von Länge zu Breite wie die Filamente der Milchstraße. Und beide Populationen scheinen Energie durch die gleichen Mechanismen zu transportieren. Näher am Strahl sind die Elektronen der Filamente energiereicher, aber sie verlieren Energie, wenn sie weiter das Filament hinunter wandern. Obwohl der Jet des Schwarzen Lochs die für die Bildung eines Filaments erforderlichen Keimpartikel liefern könnte, muss etwas Unbekanntes diese Partikel über erstaunliche Längen beschleunigen.

„Einige von ihnen haben eine erstaunliche Länge, bis zu 200 Kiloparsec“, sagte Zadeh. „Das ist etwa vier- oder fünfmal größer als die Größe unserer gesamten Milchstraße. Bemerkenswert ist, dass ihre Elektronen so lange zusammenbleiben. Wenn sich ein Elektron mit Lichtgeschwindigkeit entlang der Länge des Filaments bewegen würde, würde es es nehmen 700.000 Jahre. Und sie reisen nicht mit Lichtgeschwindigkeit.“

Vielversprechende Möglichkeiten

In der neuen Veröffentlichung stellen Zadeh und seine Mitarbeiter die Hypothese auf, dass der Ursprung der Filamente eine einfache Wechselwirkung zwischen galaktischem Wind und einem Hindernis wie einer Wolke sein könnte. Wenn der Wind um das Hindernis wickelt, erzeugt er dahinter einen kometenartigen Schweif.

„Wind kommt von der Bewegung der Galaxie selbst, wenn sie rotiert“, erklärte Zadeh. „Es ist, als ob Sie Ihre Hand aus einem fahrenden Auto aus einem Fenster strecken. Draußen ist kein Wind, aber Sie spüren, wie sich die Luft bewegt. Wenn sich die Galaxie bewegt, erzeugt sie Wind, der durch Orte drängen könnte, an denen die Teilchen der kosmischen Strahlung ziemlich weit sind locker. Es fegt das Material und erzeugt eine fadenförmige Struktur.“

Simulationen bieten jedoch eine andere praktikable Möglichkeit. Als Forscher ein aktives, turbulentes Medium simulierten, materialisierten sich lange, fadenförmige Strukturen. Wenn sich Radiogalaxien bewegen, erklärt Zadeh, kann die Schwerkraft das Medium beeinflussen und es aufwühlen. Das Medium bildet dann Flecken von wirbelnden Wirbeln. Nachdem sich das schwache Magnetfeld um diese Wirbel gewickelt hat, kann es gedehnt, gefaltet und verstärkt werden – schließlich werden sie zu langgestreckten Filamenten mit einem starken Magnetfeld.

Obwohl noch viele Fragen offen sind, staunt Zadeh immer noch über die neuen Entdeckungen.

„Alle diese Filamente außerhalb unserer Galaxie sind sehr alt“, sagte er. „Sie stammen fast aus einer anderen Epoche unseres Universums und signalisieren den Milchstraßenbewohnern dennoch, dass ein gemeinsamer Ursprung für die Bildung der Filamente existiert. Ich finde das bemerkenswert.“