Radiokarten könnten die größten Magnetfelder des Universums enthüllen | Quanta-Magazin

Durch die Erstellung von Karten der in riesigen Galaxienhaufen verborgenen Magnetfelder kommen Astronomen der Entdeckung des Ursprungs des kosmischen Magnetismus näher.

„Dies sind die ersten Karten der detaillierten Struktur von Magnetfeldern in einem beispiellos großen Maßstab“, sagte er Alexandre Lazarian, ein Astronom an der University of Wisconsin, Madison und Mitautor des Artikels, der die Karten beschreibt, heute veröffentlicht in Nature Communications veröffentlicht .

Lazarian und seine Kollegen untersuchten fünf Galaxienhaufen, die jeweils Millionen von Lichtjahren umfassen. Sie erstellten die Karten mit einer von ihm entwickelten Technik namens Synchrotron Intensity Gradient (SIG) Mapping, die auf Radiobeobachtungen basiert, um herauszufinden, in welche Richtung das Magnetfeld eines Clusters an einem bestimmten Ort zeigt. Durch die Anwendung derselben Technik auf einen gesamten Sternhaufen können die Forscher nach eigenen Angaben eine vollständige Karte seiner Magnetfelder erstellen. Sollten die Ergebnisse bestätigt werden, würden sie zeigen, dass es in riesigen Strukturen eine bisher unentdeckte Ordnung der Magnetfelder gibt.

Magnetismus ist im Universum allgegenwärtig. Wir sehen es von den kleinsten Maßstäben auf der Erde bis zu den größten im Universum, wo es kosmische Strukturen wie Sterne und das interstellare Medium formt. Magnetismus ist auch für das Leben, wie wir es kennen, von entscheidender Bedeutung, da er die Chiralität auf molekularer Ebene beeinflusst und den Schutzschild bildet, der die Erde umgibt. Aber eine große unbeantwortete Frage war wo der kosmische Magnetismus entstand. Einige Wissenschaftler bevorzugen eine ursprüngliche Erklärung, wonach der Magnetismus in den ersten Augenblicken nach dem Urknall zusammen mit den anderen Grundkräften entsteht. Andere bevorzugen eine spätere Ankunft, bei der der Magnetismus nach Hunderten von Millionen Jahren entsteht und aus magnetischen Samenfeldern wächst, die von Objekten wie Sternen und Galaxien erzeugt werden.

Diese neue Kartierungstechnik könnte eine Lösung bieten, indem sie es Astronomen ermöglicht, Magnetfelder auf den größten Skalen zu vergleichen. Aber die Technik hat ihre eigenen Grenzen und bleibt im Bereich des großräumigen Magnetismus etwas umstritten.

„Wenn es funktioniert, erhalten Sie eine beobachtungsmäßig sehr kostengünstige Möglichkeit, Magnetfelder über sehr große Bereiche des Himmels zu kartieren“, sagte er Kate Pattle, Astrophysiker am University College London.

Kosmische Kartographie

Wissenschaftler finden kosmische Magnetfelder typischerweise durch die Untersuchung von Synchrotronstrahlung – Funkemissionen entsteht, wenn ein Magnetfeld die Bahn von Elektronen krümmt, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Solche Beobachtungen können auch die Ausrichtung dieser Radioemissionen – ihre Polarisation – nutzen, um die Ausrichtung der Magnetfelder aufzudecken. Polarisationsmessungen sind jedoch äußerst zeitaufwändig und funktionieren am besten in dichteren und staubigeren Regionen eines Galaxienhaufens.

Vor etwa sieben Jahren, Lazarian habe einen Weg gefunden allein die Synchrotronemission zu verwenden, um die Richtung des Magnetfelds aufzudecken – keine Polarisation erforderlich. Die Technik nutzt Beobachtungen der sich ändernden Stärke der Radioemission, wenn man sich durch den Raum bewegt, oder was Forscher als Gradienten bezeichnen.

„Der Helligkeitsgradient, die Richtung, in der das Bild schwächer oder heller wird, hängt mit den Magnetfeldern zusammen“, sagte er Marcus Brüggen, Professor für Astrophysik an der Universität Hamburg in Deutschland zuvor große Magnetfelder untersucht.

Bei vorläufigen Beobachtungen des interstellaren Raums „haben wir überall, wo wir hingeschaut haben, diese Magnetfeldstruktur entdeckt“, sagte Lazarian.

Das Team wandte sich dann Galaxienhaufen zu, die wachsen, wenn kleinere Galaxiengruppen kollidieren. Wenn diese Fusionen stattfinden, erzeugen sie Schockfronten, die „das [Intracluster-]Medium durchpflügen“, sagte Brüggen. Wenn Magnetfelder mit diesen turbulenten Stoßfronten interagieren, erzeugen sie Synchrotronemission. Durch die Beobachtung des Gradienten dieser Emission können die Forscher auf die Richtung des Magnetfelds schließen, das wiederum die Verschmelzungen widerspiegelt, die diese Cluster im Laufe der Zeit gebildet haben.

Die Methode ermöglicht es Lazarian, Magnetfelder in der gesamten Ausdehnung riesiger Galaxienhaufen zu untersuchen, einschließlich des diffusen intergalaktischen Raums innerhalb der Struktur, in dem Polarisationsmessungen nicht möglich sind. Um ihre Karten zu erstellen, zielte das Team auf fünf Galaxienhaufen, darunter El Gordo – einen gut untersuchten Haufen Hunderter von Galaxien, der sich über 6 Millionen Lichtjahre erstreckt. Sie untersuchten auch Abell 2345, 2 Milliarden Lichtjahre entfernt, Abell 3376, etwa eine halbe Milliarde Lichtjahre entfernt, und zwei weitere.

Allerdings sind nicht alle Wissenschaftler davon überzeugt, dass die Strategie die Bewegung von Magnetfeldern genau verfolgt. Was wie Verschiebungen magnetisch angetriebener Synchrotrongradienten aussieht, könnte einfach nur eine Änderung der Elektronen- oder Gasdichte sein. Die Methode beruht auch auf einem Phänomen, das als Turbulenz in Galaxienhaufen bekannt ist, bei dem sich Magnetfelder gemeinsam verdrehen und wenden – „ein notorisch komplexer physikalischer Prozess“, sagte er Andrea Botteon, Astrophysiker am Nationalen Institut für Astrophysik in Italien.

Magnetisches Leben

In Zukunft möchte Lazarian SIG verwenden – sofern die Technik Bestand hat –, um den Magnetismus in Filamenten zwischen Galaxien mithilfe eines riesigen europäischen Funknetzwerks namens Low-Frequency Array abzubilden. Wenn die Felder in diesen Filamenten wie in Clustern aufeinander ausgerichtet sind, könnte dies eher auf eine Urquelle der kosmischen magnetischen Struktur als auf ein langsames Entstehen von magnetischen Samenfeldern hindeuten. Eine solche Ausrichtung sei für Sterne und Galaxien in späteren kosmischen Epochen „im Wesentlichen unmöglich“ gewesen, sagte Brüggen.

„Meine Vermutung“, sagte Brüggen, „ist, dass wir feststellen werden, dass Magnetfelder schon früh im Universum erzeugt wurden.“

Die Erforschung des Ursprungs des Magnetismus könnte uns etwas über die Bewohnbarkeit des Kosmos verraten. Das Leben selbst (zumindest so, wie wir es auf der Erde kennen) beruht auf Magnetismus und seinem Einfluss auf die Chiralität, um die Bausteine ​​des Lebens zu bilden Rechts- oder Linkshändigkeit. „Wenn sich zu Beginn des Universums Magnetfelder gebildet haben, kann man sehr früh Moleküle mit Chiralität bilden“, sagte Lazarian. Dann „können wir die Frage stellen, ob wir damit rechnen sollten, Signale von Zivilisationen zu sehen, die sich recht früh in der Geschichte des Universums gebildet haben.“

Er wies auch darauf hin, dass Magnetfelder in Galaxienhaufen die Ursache einiger dieser Probleme sein könnten kosmische Strahlung mit der höchsten Energie bekanntermaßen das Universum durchdringen, deren Ursprung immer noch geheimnisvoll ist. „Es gibt eine große Frage, ob diese Galaxienhaufen die Quellen der kosmischen Strahlung höchster Energie sein könnten“, sagte er, und die Kartierung der Felder innerhalb der Galaxienhaufen könnte helfen, diese Frage zu klären.

Das nächste Ziel des Teams ist die Beobachtung weiter entfernter und weiter zurückliegender Galaxienhaufen. Obwohl El Gordo riesig ist, reicht es erst zurück, als das Universum 6.5 Milliarden Lichtjahre alt war, etwa halb so alt wie heute, nämlich 13.8 Milliarden Jahre. Künftige Radioteleskope wie das Square Kilometre Array, eine riesige Antennenanordnung, die später in diesem Jahrzehnt über eine Million Quadratmeter in Südafrika und Australien verteilt wird, könnten leistungsstark genug sein, um diese Art der Kartierung auf Cluster anzuwenden, die existierten, als das Universum existierte war gerade einmal 1 Milliarden Jahre alt.

„Ich würde gerne sehen, was im frühen Universum passiert ist“, sagte er Yue Hu, ein Doktorand an der University of Wisconsin, Madison und Hauptautor des Artikels.

Aber der Ursprung des Magnetismus im Universum und alle Implikationen dieser Antwort werden mit dieser Methode nicht über Nacht gelöst. „Es ist ein Teil des Puzzles“, sagte Brüggen. „Aber es ist ein sehr umfangreiches Stück.“