Radijski zemljevidi lahko razkrijejo največja magnetna polja v vesolju | Revija Quanta

Z izdelovanjem zemljevidov magnetnih polj, skritih v ogromnih jatah galaksij, so astronomi vse bližje iskanju izvora kozmičnega magnetizma.

"To so prvi zemljevidi podrobne strukture magnetnih polj v izjemno velikem obsegu," je dejal Aleksander Lazarjan, astronom na Univerzi Wisconsin v Madisonu in soavtor prispevka, ki opisuje zemljevide, objavljeno danes v Ljubljani Nature Communications.

Lazarian in njegovi sodelavci so preučevali pet galaksijskih jat, od katerih vsak obsega milijone svetlobnih let. Zemljevide so izdelali s tehniko, ki jo je razvil, imenovano preslikava sinhrotronskega gradienta intenzitete (SIG), ki temelji na radijskih opazovanjih, da bi ugotovili, v katero smer kaže magnetno polje grozda na določeni lokaciji. Raziskovalci pravijo, da lahko z uporabo iste tehnike v celotnem grozdu sestavijo popoln zemljevid njegovih magnetnih polj. Če bi bili rezultati potrjeni, bi pokazali, da v velikanskih strukturah obstaja prej neodkrit vrstni red magnetnih polj.

Magnetizem je vseprisoten v vesolju. Vidimo ga od najmanjših lestvic na Zemlji do največjih v vesolju, kjer oblikuje kozmične strukture, kot so zvezde in medzvezdni medij. Magnetizem je ključnega pomena tudi za življenje, kot ga poznamo, saj vpliva na kiralnost na molekularni ravni in oblikuje zaščitni ščit, ki obdaja Zemljo. Vendar je ostalo veliko vprašanje brez odgovora kjer izvira kozmični magnetizem. Nekateri znanstveniki so naklonjeni prvotni razlagi, pri kateri je magnetizem nastal v prvih trenutkih po velikem poku z drugimi temeljnimi silami. Drugi so naklonjeni kasnejšemu prihodu, pri čemer magnetizem nastane po stotinah milijonov let in raste iz začetnih magnetnih polj, ki jih proizvajajo objekti, kot so zvezde in galaksije.

Ta nova tehnika kartiranja bi lahko ponudila rešitev, saj bi astronomom omogočila primerjavo magnetnih polj na največjih lestvicah. Toda tehnika ima svoje omejitve in ostaja nekoliko kontroverzna na področju magnetizma velikega obsega.

"Če deluje, vam ponuja opazovalno zelo poceni način kartiranja magnetnih polj na zelo velikih območjih neba," je dejal Kate Pattle, astrofizik na University College London.

Kozmična kartografija

Znanstveniki običajno najdejo kozmična magnetna polja s proučevanjem sinhrotronskega sevanja - radijske emisije nastane, ko magnetno polje ukrivi pot elektronov, ki potujejo s hitrostjo blizu svetlobne. Takšna opazovanja lahko uporabijo tudi orientacijo teh radijskih emisij - njihovo polarizacijo - da razkrijejo orientacijo magnetnih polj. Toda polarizacijske meritve so izjemno dolgotrajne in najbolje delujejo v gostejših in bolj prašnih območjih jate galaksij.

Pred približno sedmimi leti, Lazarjan prišel do načina uporabiti samo sinhrotronsko emisijo za razkrivanje smeri magnetnega polja - polarizacija ni potrebna. Tehnika uporablja opazovanja spreminjajoče se jakosti radijskega sevanja, ko se premikate po vesolju, ali kar raziskovalci imenujejo gradient.

"Gradient svetlosti, smer, v kateri slika postane šibkejša ali svetlejša, je povezana z magnetnimi polji," je dejal Marcus Brüggen, profesor astrofizike na univerzi v Hamburgu v Nemčiji, ki ima prej proučevali velika magnetna polja.

V predhodnih opazovanjih medzvezdnega prostora smo "povsod, kjer smo [pogledali], razkrili to strukturo magnetnega polja," je dejal Lazarian.

Ekipa se je nato obrnila na jate galaksij, ki rastejo, ko trčijo manjše skupine galaksij. Ko pride do teh združitev, proizvedejo udarne fronte, ki "plugajo skozi [notranji grozd] medij," je dejal Brüggen. Ko magnetna polja medsebojno delujejo s temi turbulentnimi udarnimi frontami, povzročijo sinhrotronsko sevanje. Z opazovanjem gradienta te emisije lahko raziskovalci sklepajo o smeri magnetnega polja, kar posledično odraža združitve, ki so sčasoma zgradile te grozde.

Metoda omogoča Lazarianu raziskovanje magnetnih polj v prostranstvu ogromnih jat galaksij, vključno z razpršenim medgalaktičnim prostorom znotraj strukture, kjer meritve polarizacije niso mogoče. Za izdelavo svojih zemljevidov je ekipa ciljala na pet galaksijskih jat, vključno z El Gordom – dobro raziskano skupino stotin galaksij, ki se razteza 6 milijonov svetlobnih let čez. Ogledali so si tudi Abell 2345, 2 milijardi svetlobnih let stran, Abell 3376, približno pol milijarde svetlobnih let stran, in dve drugi.

Niso pa vsi znanstveniki prepričani, da strategija natančno sledi gibanju magnetnih polj. Kar je videti kot premiki v sinhrotronskih gradientih, ki jih poganja magnetizem, so lahko samo spremembe v gostoti elektronov ali plina. Metoda temelji tudi na pojavu, znanem kot turbulenca v jatah galaksij, kjer se magnetna polja zvijajo in obračajo skupaj - "zloglasno zapleten fizični proces," je dejal Andrea Botteon, astrofizik na Nacionalnem inštitutu za astrofiziko v Italiji.

Magnetično življenje

V prihodnosti želi Lazarian uporabiti SIG - če tehnika zdrži - za preslikavo magnetizma v filamentih med galaksijami z uporabo velikega evropskega radijskega omrežja, imenovanega Low-Frequency Array. Če so polja v teh filamentih poravnana eno z drugim, kot so v grozdih, bi to morda nakazovalo na prvotni vir kozmične magnetne strukture in ne na počasen pojav iz semenskih magnetnih polj. Takšna poravnava bi bila "v bistvu nemogoča", da bi zvezde in galaksije ustvarile v kasnejših kozmičnih obdobjih, je dejal Brüggen.

"Moj občutek," je rekel Brüggen, "je, da bomo ugotovili, da so bila magnetna polja proizvedena zgodaj v vesolju."

Raziskovanje izvora magnetizma nam lahko pove nekaj o bivalnosti vesolja. Samo življenje (vsaj kot ga poznamo na Zemlji) se opira na magnetizem in njegov vpliv na kiralnost, da daje gradnikom življenja desničarstvo ali levičarstvo. "Če so se magnetna polja oblikovala na začetku vesolja, lahko zelo zgodaj tvorite molekule s kiralnostjo," je dejal Lazarian. Nato »se lahko vprašamo, ali naj pričakujemo, da bomo videli signale civilizacij, ki so se oblikovale precej zgodaj v zgodovini vesolja.«

Opozoril je tudi, da bi lahko bila magnetna polja v jatah galaksij vir nekaterih kozmični žarki z najvišjo energijo za katere je znano, da prevevajo vesolje, ki imajo še vedno skrivnosten izvor. "Obstaja veliko vprašanje [o], ali so te jate galaksij lahko viri kozmičnih žarkov z najvišjo energijo," je dejal, kartiranje polj znotraj jat pa bi lahko pomagalo rešiti to vprašanje.

Naslednji cilj ekipe je opazovati jate galaksij, ki so bolj oddaljene in dlje v preteklost. Čeprav je El Gordo ogromen, se razteza šele od takrat, ko je bilo vesolje staro 6.5 milijarde svetlobnih let, kar je približno polovica njegove trenutne starosti 13.8 milijarde let. Prihajajoči radijski teleskopi, kot je Square Kilometer Array, obsežen nabor anten, ki se bo pozneje v tem desetletju razprostiral na 1 milijonu kvadratnih metrov v Južni Afriki in Avstraliji, bi lahko bili dovolj zmogljivi za uporabo te vrste kartiranja v grozdih, ki so obstajali, ko je vesolje je bil star le 3 milijarde let.

"Rad bi videl, kaj se je zgodilo v zgodnjem vesolju," je rekel Yue Hu, podiplomski študent na Univerzi Wisconsin v Madisonu in glavni avtor prispevka.

Toda izvora magnetizma v vesolju in vseh posledic tega odgovora s to metodo ne bo mogoče rešiti čez noč. "To je en kos sestavljanke," je dejal Brüggen. "Ampak to je zelo pomemben kos."