Radiokort kan afsløre universets største magnetfelter | Quanta Magasinet

Ved at lave kort over de magnetiske felter gemt inde i massive galaksehobe kommer astronomerne tættere på at finde oprindelsen til kosmisk magnetisme.

"Dette er de første kort over den detaljerede struktur af magnetiske felter i en hidtil uset stor skala," sagde Alexandre Lazarian, en astronom ved University of Wisconsin, Madison, og en medforfatter på papiret, der beskriver kortene, offentliggjort i dag i Nature Communications.

Lazarian og hans kolleger studerede fem galaksehobe, der hver spænder over millioner af lysår. De lavede kortene ved hjælp af en teknik, han udtænkte kaldet synchrotron intensity gradient (SIG) mapping, som er afhængig af radioobservationer for at finde ud af, hvilken vej en klynges magnetfelt peger på et givet sted. Ved at anvende den samme teknik på tværs af en hel klynge siger forskerne, at de kan konstruere et komplet kort over dets magnetfelter. Resultaterne, hvis de bekræftes, ville vise, at der er en tidligere uopdaget rækkefølge til magnetiske felter i gigantiske strukturer.

Magnetisme er allestedsnærværende i universet. Vi ser det fra de mindste skalaer på Jorden til universets største, hvor det skulpturerer kosmiske strukturer som stjerner og det interstellare medium. Magnetisme er også afgørende for livet, som vi kender det, og påvirker chiralitet på et molekylært niveau og skaber det beskyttende skjold, der omslutter Jorden. Men et stort ubesvaret spørgsmål har været hvor kosmisk magnetisme opstod. Nogle videnskabsmænd går ind for en primordial forklaring, hvor magnetisme opstår i de første øjeblikke efter Big Bang med de andre fundamentale kræfter. Andre går ind for en senere ankomst, hvor magnetisme opstår efter hundreder af millioner af år og vokser fra frømagnetiske felter produceret af objekter som stjerner og galakser.

Denne nye kortlægningsteknik kan muligvis tilbyde en løsning ved at give astronomer mulighed for at sammenligne magnetiske felter på de allerstørste skalaer. Men teknikken har sine egne begrænsninger og forbliver noget kontroversiel inden for storskalamagnetisme.

"Hvis det virker, giver det dig en meget observationsmæssigt billig måde at kortlægge magnetiske felter over meget store områder af himlen," sagde Kate Pattle, en astrofysiker ved University College London.

Kosmisk kartografi

Forskere finder typisk kosmiske magnetfelter ved at studere synkrotronstråling - radioemissioner produceret som et magnetfelt, bøjer elektronernes bane, der bevæger sig tæt på lysets hastighed. Sådanne observationer kan også bruge orienteringen af ​​disse radioemissioner - deres polarisering - til at afsløre orienteringen af ​​de magnetiske felter. Men polarisationsmålinger er ekstremt tidskrævende og fungerer bedst i tættere og mere støvede områder af en galaksehob.

For omkring syv år siden, Lazarian kom på en måde at bruge synkrotronemission alene til at afsløre retningen af ​​det magnetiske felt - ingen polarisering nødvendig. Teknikken bruger observationer af den skiftende styrke af radioemissionen, når du bevæger dig hen over rummet, eller hvad forskere kalder gradienten.

"Gradienten i lysstyrken, retningen hvori billedet bliver svagere eller lysere, relaterer sig til magnetfelterne," sagde Marcus Brüggen, en professor i astrofysik ved universitetet i Hamborg i Tyskland, der har tidligere undersøgt store magnetfelter.

I foreløbige observationer af det interstellare rum, "overalt hvor vi [kiggede], afslørede vi denne magnetiske feltstruktur," sagde Lazarian.

Holdet vendte sig derefter mod galaksehobe, som vokser, efterhånden som mindre grupper af galakser kolliderer. Når disse fusioner sker, producerer de stødfronter, der "pløjer gennem [intracluster]-mediet," sagde Brüggen. Når magnetfelter interagerer med de turbulente stødfronter, producerer de synkrotronemission. Ved at observere gradienten af ​​denne emission kan forskerne udlede retningen af ​​det magnetiske felt, som igen afspejler de fusioner, der har bygget disse klynger over tid.

Metoden giver Lazarian mulighed for at undersøge magnetiske felter på tværs af store galaksehobe, herunder det diffuse intergalaktiske rum i strukturen, hvor polariseringsmålinger ikke er mulige. For at lave deres kort målrettede holdet fem galaksehobe, inklusive El Gordo - en velundersøgt klump af hundredvis af galakser, der strækker sig 6 millioner lysår på tværs. De så også på Abell 2345, 2 milliarder lysår væk, Abell 3376, omkring en halv milliard lysår væk, og to andre.

Ikke alle videnskabsmænd er dog overbevist om, at strategien nøjagtigt sporer magnetfelternes bevægelse. Det, der ligner skift i magnetisme-drevne synkrotrongradienter, kan bare være ændringer i elektron- eller gastæthed. Metoden er også afhængig af et fænomen kendt som turbulens i galaksehobe, hvor magnetiske felter vrider sig og drejer sammen - "en notorisk kompleks fysisk proces," sagde Andrea Botteon, en astrofysiker ved National Institute for Astrophysics i Italien.

Magnetisk liv

I fremtiden vil Lazarian bruge SIG - hvis teknikken holder - til at kortlægge magnetismen i filamenter mellem galakser ved hjælp af et stort europæisk radionetværk kaldet Low-Frequency Array. Hvis felterne i disse filamenter er rettet ind efter hinanden, som de er i klynger, kan det antyde en urkilde til kosmisk magnetisk struktur snarere end en langsom fremkomst fra frømagnetiske felter. En sådan justering ville være "i det væsentlige umulig" for stjerner og galakser at skabe under senere kosmiske epoker, sagde Brüggen.

"Min fornemmelse," sagde Brüggen, "er, at vi vil opdage, at magnetiske felter blev produceret tidligt i universet."

At spå om magnetismens oprindelse kan fortælle os noget om kosmos beboelighed. Livet selv (i hvert fald som vi kender det på Jorden) er afhængigt af magnetisme og dets indflydelse på chiralitet for at give livets byggesten en højre- eller venstrehåndethed. "Hvis magnetiske felter dannes i begyndelsen af ​​universet, kan du danne molekyler med chiralitet meget tidligt," sagde Lazarian. Derefter "kan vi stille spørgsmålet [om], hvorvidt vi skal forvente at se signaler om civilisationer, som dannedes ret tidligt i universets historie."

Han bemærkede også, at magnetiske felter i galaksehobe kunne være kilden til nogle af de kosmiske stråler med højeste energi kendt for at gennemsyre universet, som stadig har en mystisk oprindelse. "Der er et stort spørgsmål [om], hvorvidt disse galaksehobe kunne være kilderne til de kosmiske stråler af den højeste energi," sagde han, og kortlægning af felterne i klynger kunne hjælpe med at løse det spørgsmål.

Holdets næste mål er at observere galaksehobe, der er længere væk og længere tilbage i tiden. Selv om El Gordo er enorm, strækker den sig kun tilbage til, da universet var 6.5 milliarder lysår gammelt, omkring halvdelen af ​​dets nuværende alder på 13.8 milliarder år. Kommende radioteleskoper såsom Square Kilometer Array, en bred vifte af antenner, der vil blive spredt over 1 million kvadratmeter i Sydafrika og Australien senere i dette årti, kan være kraftige nok til at anvende denne type kortlægning på klynger, der eksisterede, da universet var kun 3 milliarder år gammel.

"Jeg vil gerne se, hvad der skete i det tidlige univers," sagde Yue Hu, en kandidatstuderende ved University of Wisconsin, Madison, og hovedforfatter på papiret.

Men magnetismens oprindelse i universet, og alle konsekvenserne af dette svar, vil ikke blive løst fra den ene dag til den anden ved hjælp af denne metode. "Det er en brik i puslespillet," sagde Brüggen. "Men det er et meget væsentligt stykke."