Οι χάρτες του ραδιοφώνου μπορεί να αποκαλύψουν τα μεγαλύτερα μαγνητικά πεδία του σύμπαντος | Περιοδικό Quanta

Φτιάχνοντας χάρτες των μαγνητικών πεδίων που κρύβονται μέσα σε τεράστια σμήνη γαλαξιών, οι αστρονόμοι πλησιάζουν περισσότερο στην εύρεση της προέλευσης του κοσμικού μαγνητισμού.

«Αυτοί είναι οι πρώτοι χάρτες της λεπτομερούς δομής των μαγνητικών πεδίων σε άνευ προηγουμένου μεγάλη κλίμακα», είπε. Αλέξανδρος Λαζαριάν, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν, Μάντισον, και συν-συγγραφέας στο χαρτί που περιγράφει τους χάρτες, που δημοσιεύθηκε σήμερα στο Nature Communications.

Ο Lazarian και οι συνεργάτες του μελέτησαν πέντε σμήνη γαλαξιών, το καθένα από τα οποία εκτείνεται σε εκατομμύρια έτη φωτός. Έφτιαξαν τους χάρτες χρησιμοποιώντας μια τεχνική που επινόησε ο ίδιος που ονομάζεται χαρτογράφηση βαθμίδωσης έντασης σύγχροτρον (SIG), η οποία βασίζεται σε ραδιοπαρατηρήσεις για να προσδιορίσει με ποια κατεύθυνση δείχνει το μαγνητικό πεδίο ενός σμήνου σε μια δεδομένη θέση. Εφαρμόζοντας την ίδια τεχνική σε ένα ολόκληρο σύμπλεγμα, οι ερευνητές λένε ότι μπορούν να κατασκευάσουν έναν πλήρη χάρτη των μαγνητικών του πεδίων. Τα αποτελέσματα, εάν επιβεβαιωθούν, θα έδειχναν ότι υπάρχει μια μη ανιχνεύσιμη προηγουμένως σειρά για τα μαγνητικά πεδία σε γιγάντιες δομές.

Ο μαγνητισμός είναι πανταχού παρών στο σύμπαν. Το βλέπουμε από τις μικρότερες κλίμακες στη Γη έως τις μεγαλύτερες του σύμπαντος, όπου σμιλεύει κοσμικές δομές όπως τα αστέρια και το διαστρικό μέσο. Ο μαγνητισμός είναι επίσης κρίσιμος για τη ζωή όπως τον ξέρουμε, επηρεάζοντας τη χειραλικότητα σε μοριακό επίπεδο και δημιουργώντας την προστατευτική ασπίδα που περιβάλλει τη Γη. Αλλά ένα μεγάλο αναπάντητο ερώτημα ήταν όπου προήλθε ο κοσμικός μαγνητισμός. Μερικοί επιστήμονες προτιμούν μια αρχέγονη εξήγηση, με τον μαγνητισμό να εμφανίζεται τις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη με τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις. Άλλοι προτιμούν μια μεταγενέστερη άφιξη, με τον μαγνητισμό να προκύπτει μετά από εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια και να αναπτύσσεται από τα μαγνητικά πεδία σπόρων που παράγονται από αντικείμενα όπως τα αστέρια και οι γαλαξίες.

Αυτή η νέα τεχνική χαρτογράφησης μπορεί να προσφέρει μια λύση επιτρέποντας στους αστρονόμους να συγκρίνουν μαγνητικά πεδία στις πολύ μεγαλύτερες κλίμακες. Όμως η τεχνική έχει τους δικούς της περιορισμούς και παραμένει κάπως αμφιλεγόμενη στον τομέα του μαγνητισμού μεγάλης κλίμακας.

"Εάν λειτουργεί, σας δίνει έναν πολύ φθηνό τρόπο για να χαρτογραφήσετε μαγνητικά πεδία σε πολύ μεγάλες περιοχές του ουρανού", είπε. Κέιτ Πατλ, αστροφυσικός στο University College του Λονδίνου.

Κοσμική Χαρτογραφία

Οι επιστήμονες συνήθως βρίσκουν κοσμικά μαγνητικά πεδία μελετώντας την ακτινοβολία σύγχροτρον — ραδιοφωνικές εκπομπές που παράγεται καθώς ένα μαγνητικό πεδίο κάμπτει τη διαδρομή των ηλεκτρονίων που ταξιδεύουν κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Τέτοιες παρατηρήσεις μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν τον προσανατολισμό αυτών των ραδιοεκπομπών - την πόλωσή τους - για να αποκαλύψουν τον προσανατολισμό των μαγνητικών πεδίων. Αλλά οι μετρήσεις πόλωσης είναι εξαιρετικά χρονοβόρες και λειτουργούν καλύτερα σε πυκνότερες και πιο σκονισμένες περιοχές ενός σμήνος γαλαξιών.

Πριν από επτά περίπου χρόνια, ο Λαζάριαν βρήκε έναν τρόπο να χρησιμοποιήσει μόνο την εκπομπή σύγχροτρον για να αποκαλύψει την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου — δεν χρειάζεται πόλωση. Η τεχνική χρησιμοποιεί παρατηρήσεις της μεταβαλλόμενης ισχύος της ραδιοεκπομπής καθώς κινείστε στο διάστημα, ή αυτό που οι ερευνητές αποκαλούν κλίση.

«Η κλίση στη φωτεινότητα, η κατεύθυνση στην οποία η εικόνα γίνεται πιο αμυδρή ή φωτεινότερη, σχετίζεται με τα μαγνητικά πεδία», είπε. Marcus Brüggen, καθηγητής αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο του Αμβούργου στη Γερμανία που έχει προηγουμένως μελετήθηκαν μεγάλα μαγνητικά πεδία.

Σε προκαταρκτικές παρατηρήσεις του διαστρικού χώρου, «όπου κι αν [κοιτάξαμε], αποκαλύψαμε αυτή τη δομή του μαγνητικού πεδίου», είπε ο Lazarian.

Στη συνέχεια, η ομάδα στράφηκε σε σμήνη γαλαξιών, τα οποία αναπτύσσονται καθώς συγκρούονται μικρότερες ομάδες γαλαξιών. Όταν συμβαίνουν αυτές οι συγχωνεύσεις, παράγουν μέτωπα κρούσης που «οργώνουν το μέσο [ενδοσυστάδας]», είπε ο Brüggen. Όταν τα μαγνητικά πεδία αλληλεπιδρούν με αυτά τα τυρβώδη μέτωπα κρούσης, παράγουν εκπομπή σύγχροτρον. Παρατηρώντας την κλίση αυτής της εκπομπής, οι ερευνητές μπορούν να συμπεράνουν την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου, το οποίο με τη σειρά του αντανακλά τις συγχωνεύσεις που έχουν δημιουργήσει αυτά τα σμήνη με την πάροδο του χρόνου.

Η μέθοδος επιτρέπει στον Lazarian να ερευνά τα μαγνητικά πεδία σε όλη την έκταση των τεράστιων σμηνών γαλαξιών, συμπεριλαμβανομένου του διάχυτου διαγαλαξιακού χώρου μέσα στη δομή όπου οι μετρήσεις πόλωσης δεν είναι δυνατές. Για να φτιάξει τους χάρτες της, η ομάδα στόχευσε πέντε σμήνη γαλαξιών, συμπεριλαμβανομένου του El Gordo - μια καλά μελετημένη συστάδα εκατοντάδων γαλαξιών που εκτείνεται σε διάμετρο 6 εκατομμυρίων ετών φωτός. Εξέτασαν επίσης το Abell 2345, 2 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, το Abell 3376, περίπου μισό δισεκατομμύριο έτη φωτός μακριά, και δύο άλλα.

Ωστόσο, δεν είναι όλοι οι επιστήμονες πεπεισμένοι ότι η στρατηγική παρακολουθεί με ακρίβεια την κίνηση των μαγνητικών πεδίων. Αυτό που μοιάζουν με μετατοπίσεις στις βαθμίδες σύγχροτρον που οδηγούνται από τον μαγνητισμό θα μπορούσαν απλώς να είναι αλλαγές στην πυκνότητα ηλεκτρονίων ή αερίων. Η μέθοδος βασίζεται επίσης σε ένα φαινόμενο γνωστό ως αναταράξεις στα σμήνη γαλαξιών, όπου τα μαγνητικά πεδία συστρέφονται και στρέφονται μαζί — «μια διαβόητα περίπλοκη φυσική διαδικασία», είπε. Andrea Botteon, αστροφυσικός στο Εθνικό Ινστιτούτο Αστροφυσικής στην Ιταλία.

Μαγνητική Ζωή

Στο μέλλον, ο Lazarian θέλει να χρησιμοποιήσει το SIG - εάν η τεχνική αντέχει - για να χαρτογραφήσει τον μαγνητισμό στα νήματα μεταξύ των γαλαξιών χρησιμοποιώντας ένα τεράστιο ευρωπαϊκό ραδιοδίκτυο που ονομάζεται Συστοιχία Χαμηλής Συχνότητας. Εάν τα πεδία σε αυτά τα νήματα είναι ευθυγραμμισμένα μεταξύ τους, όπως είναι σε συστάδες, μπορεί να υποδηλώνει μια αρχέγονη πηγή κοσμικής μαγνητικής δομής αντί για μια αργή ανάδυση από τα μαγνητικά πεδία των σπόρων. Μια τέτοια ευθυγράμμιση θα ήταν «ουσιαστικά αδύνατη» για αστέρια και γαλαξίες να δημιουργήσουν κατά τη διάρκεια μεταγενέστερων κοσμικών εποχών, είπε ο Brüggen.

«Το πιστεύω μου», είπε ο Brüggen, «θα ανακαλύψουμε ότι τα μαγνητικά πεδία παρήχθησαν νωρίς στο σύμπαν».

Η μαντεία της προέλευσης του μαγνητισμού μπορεί να μας πει κάτι για την κατοικησιμότητα του σύμπαντος. Η ίδια η ζωή (τουλάχιστον όπως τη γνωρίζουμε στη Γη) βασίζεται στον μαγνητισμό και την επιρροή του στη χειραλικότητα για να δώσει στα δομικά στοιχεία της ζωής ένα δεξιόχειρας ή αριστερόχειρας. «Αν σχηματίστηκαν μαγνητικά πεδία στην αρχή του σύμπαντος, μπορείτε να σχηματίσετε μόρια με χειραλικότητα πολύ νωρίς», είπε ο Lazarian. Στη συνέχεια, «μπορούμε να θέσουμε το ερώτημα [του] εάν θα πρέπει να περιμένουμε να δούμε σήματα πολιτισμών που σχηματίστηκαν αρκετά νωρίς στην ιστορία του σύμπαντος».

Σημείωσε επίσης ότι τα μαγνητικά πεδία στα σμήνη γαλαξιών θα μπορούσαν να είναι η πηγή μερικών από αυτά κοσμικές ακτίνες υψηλότερης ενέργειας γνωστό ότι διαπερνά το σύμπαν, τα οποία εξακολουθούν να έχουν μια μυστηριώδη προέλευση. «Υπάρχει ένα μεγάλο ερώτημα [σχετικά με] εάν αυτά τα σμήνη γαλαξιών θα μπορούσαν να είναι οι πηγές των κοσμικών ακτίνων της υψηλότερης ενέργειας», είπε, και η χαρτογράφηση των πεδίων μέσα στα σμήνη θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση αυτού του ερωτήματος.

Ο επόμενος στόχος της ομάδας είναι να παρατηρήσει σμήνη γαλαξιών που είναι πιο μακριά και πιο πίσω στο χρόνο. Το El Gordo, αν και τεράστιο, εκτείνεται μόνο όταν το σύμπαν ήταν 6.5 δισεκατομμυρίων ετών φωτός, περίπου το ήμισυ της τρέχουσας ηλικίας του, των 13.8 δισεκατομμυρίων ετών. Τα επερχόμενα ραδιοτηλεσκόπια όπως το Square Kilometer Array, μια τεράστια σειρά από κεραίες που θα απλωθούν σε 1 εκατομμύριο τετραγωνικά μέτρα στη Νότια Αφρική και την Αυστραλία αργότερα αυτή τη δεκαετία, θα μπορούσαν να είναι αρκετά ισχυρά για να εφαρμόσουν αυτόν τον τύπο χαρτογράφησης σε σμήνη που υπήρχαν όταν το σύμπαν ήταν μόλις 3 δισεκατομμυρίων ετών.

«Θα ήθελα να δω τι συνέβη στο πρώιμο σύμπαν», είπε Γιούε Χου, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin, Madison, και κύριος συγγραφέας της εργασίας.

Αλλά η προέλευση του μαγνητισμού στο σύμπαν, και όλες οι συνέπειες αυτής της απάντησης, δεν θα λυθούν σε μια νύχτα χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο. «Είναι ένα κομμάτι του παζλ», είπε ο Brüggen. «Αλλά είναι ένα πολύ ουσιαστικό κομμάτι».