Raadiokaardid võivad paljastada universumi suurimad magnetväljad | Ajakiri Quanta

Tehes kaarte massiivsete galaktikaparvede sees peidetud magnetväljadest, jõuavad astronoomid kosmilise magnetismi päritolu leidmisele lähemale.

"Need on esimesed kaardid magnetväljade üksikasjalikust struktuurist enneolematult suures mastaabis," ütles Alexandre Lazarian, Madisoni osariigi Wisconsini ülikooli astronoom ja kaarte kirjeldava dokumendi kaasautor, avaldati täna aastal Nature Communications.

Lazarian ja tema kolleegid uurisid viit galaktikaparve, millest igaüks ulatub miljonite valgusaastate kaugusele. Nad koostasid kaardid tema välja töötatud tehnikaga, mida nimetatakse sünkrotroni intensiivsuse gradiendi (SIG) kaardistamiseks, mis tugineb raadiovaatlustele, et välja selgitada, millises suunas klastri magnetväli antud kohas osutab. Rakendades sama tehnikat kogu klastris, saavad teadlased väidavad, et nad saavad koostada selle magnetväljade täieliku kaardi. Kinnituse korral näitavad tulemused, et hiiglaslikes struktuurides on magnetväljade suhtes varem tuvastamata järjekord.

Magnetism on universumis kõikjal. Näeme seda Maa väikseimatest skaaladest universumi suurimani, kus see kujundab kosmilisi struktuure, nagu tähed ja tähtedevaheline keskkond. Magnetism on meie teadaoleva elu jaoks ülioluline, mõjutades kiraalsust molekulaarsel tasemel ja luues Maad ümbritseva kaitsekilbi. Aga suur vastuseta küsimus on olnud kust tekkis kosmiline magnetism. Mõned teadlased pooldavad ürgset seletust, kus magnetism tekib esimestel hetkedel pärast Suurt Pauku koos teiste põhijõududega. Teised pooldavad hilisemat saabumist, kus magnetism tekib sadade miljonite aastate pärast ja kasvab seemnemagnetväljadest, mida tekitavad sellised objektid nagu tähed ja galaktikad.

See uus kaardistamistehnika võib pakkuda lahendust, võimaldades astronoomidel võrrelda magnetvälju kõige suurematel skaalal. Kuid sellel tehnikal on oma piirangud ja see on suuremahulise magnetismi valdkonnas mõnevõrra vastuoluline.

"Kui see töötab, annab see teile väga vaatluslikult odava võimaluse magnetväljade kaardistamiseks väga suurtel taevaaladel," ütles ta. Kate Pattle, Londoni ülikooli kolledži astrofüüsik.

Kosmiline kartograafia

Teadlased leiavad tavaliselt kosmilisi magnetvälju, uurides sünkrotronkiirgust - raadioemissioonid tekitatud magnetväli painutab valguse kiirusele lähedal liikuvate elektronide teed. Sellised vaatlused võivad magnetväljade orientatsiooni paljastamiseks kasutada ka nende raadiokiirguse orientatsiooni - nende polarisatsiooni. Kuid polarisatsiooni mõõtmine on äärmiselt aeganõudev ja toimib kõige paremini galaktikaparve tihedamates ja tolmusemates piirkondades.

Umbes seitse aastat tagasi, Lazarian mõtles välja viisi kasutada ainult sünkrotroni emissiooni, et paljastada magnetvälja suund – polariseerimist pole vaja. See tehnika kasutab vaatlusi raadiokiirguse muutuva tugevuse kohta, kui liigute üle ruumi või mida teadlased nimetavad gradiendiks.

"Heleduse gradient, suund, milles pilt muutub nõrgemaks või heledamaks, on seotud magnetväljadega," ütles ta. Marcus Brüggen, Saksamaal Hamburgi Ülikooli astrofüüsika professor, kellel on varem uurinud suuri magnetvälju.

Tähtedevahelise ruumi esialgsetes vaatlustes "avastasime kõikjal, kuhu me [vaatasime] selle magnetvälja struktuuri," ütles Lazarian.

Seejärel pöördus meeskond galaktikaparvede poole, mis kasvavad väiksemate galaktikate rühmade põrkumisel. Kui need ühinemised toimuvad, tekitavad need lööklaine, mis "kündvad läbi [klastrisisese] keskkonna", ütles Brüggen. Kui magnetväljad interakteeruvad nende turbulentsete löökide frontidega, tekitavad need sünkrotronide emissiooni. Selle emissiooni gradiendi jälgimisel saavad teadlased järeldada magnetvälja suunda, mis omakorda peegeldab ühinemisi, mis on need klastrid aja jooksul üles ehitanud.

Meetod võimaldab Lazarianil uurida magnetvälju tohutute galaktikaparvede ulatuses, kaasa arvatud hajus galaktikatevaheline ruum struktuuri sees, kus polarisatsiooni mõõtmine pole võimalik. Oma kaartide koostamiseks võttis meeskond sihikule viis galaktikaparve, sealhulgas El Gordo - hästi uuritud sadade galaktikate kogum, mis ulatub 6 miljoni valgusaastani. Nad vaatasid ka 2345 miljardi valgusaasta kaugusel asuvat Abell 2, umbes poole miljardi valgusaasta kaugusel asuvat Abell 3376 ja veel kahte.

Mitte kõik teadlased pole aga veendunud, et strateegia jälgib täpselt magnetvälja liikumist. See, mis näeb välja nagu nihked magnetismist juhitud sünkrotroni gradientides, võib olla lihtsalt elektronide või gaaside tiheduse muutus. Meetod tugineb ka nähtusele, mida tuntakse galaktikaparvede turbulentsina, kus magnetväljad keerduvad ja pöörduvad kokku - "kurikuulsalt keeruline füüsiline protsess," ütles. Andrea Botteon, Itaalia riikliku astrofüüsika instituudi astrofüüsik.

Magnetiline elu

Tulevikus soovib Lazarian kasutada SIG-i – kui tehnika vastu peab – galaktikate vaheliste filamentide magnetismi kaardistamiseks, kasutades tohutut Euroopa raadiovõrku, mida nimetatakse madala sagedusega massiiviks. Kui nendes filamentides olevad väljad on üksteisega joondatud, nagu need on klastrites, võib see viidata kosmilise magnetstruktuuri ürgsele allikale, mitte aeglasele tärkamisele seemnemagnetväljadest. Brüggen ütles, et selline joondus oleks tähtede ja galaktikate jaoks "põhimõtteliselt võimatu" hilisemate kosmiliste epohhide ajal.

"Minu aimdus," ütles Brüggen, "leiame, et magnetväljad tekkisid universumi alguses."

Magnetismi päritolu ennustamine võib meile midagi öelda kosmose elamiskõlblikkuse kohta. Elu ise (vähemalt sellisena, nagu me seda Maal teame) tugineb magnetismile ja selle mõjule kiraalsusele, et anda elu ehitusplokkidele parem- või vasakukäelisus. "Kui universumi alguses tekkisid magnetväljad, saate kiraalsusega molekule moodustada väga varakult," ütles Lazarian. Seejärel "võime esitada küsimuse, kas peaksime ootama nägema signaale tsivilisatsioonidest, mis tekkisid üsna varakult universumi ajaloos."

Ta märkis ka, et galaktikaparvede magnetväljad võivad olla mõne selle allikaks kõrgeima energiaga kosmilised kiired Teadaolevalt läbivad universumit, millel on endiselt salapärane päritolu. "On suur küsimus, kas need galaktikate parved võiksid olla kõrgeima energiaga kosmiliste kiirte allikad," ütles ta ja klastrites olevate väljade kaardistamine võib aidata seda küsimust lahendada.

Meeskonna järgmine eesmärk on vaadelda galaktikaparvesid, mis asuvad ajas kaugemal ja kaugemal. Kuigi El Gordo on tohutu, ulatub see alles aega, mil universum oli 6.5 miljardit valgusaastat vana, mis on umbes poole oma praegusest vanusest, mis on 13.8 miljardit aastat. Tulevased raadioteleskoobid, nagu ruutkilomeetrite massiiv, suur hulk antenne, mis jaotatakse selle kümnendi jooksul Lõuna-Aafrikas ja Austraalias 1 miljonile ruutmeetrile, võivad olla piisavalt võimsad, et rakendada seda tüüpi kaardistamist universumi ajal eksisteerinud klastrite suhtes. oli vaid 3 miljardit aastat vana.

"Ma tahaksin näha, mis juhtus varases universumis," ütles Yue Hu, Madisoni osariigi Wisconsini ülikooli magistrant ja paberi juhtiv autor.

Kuid universumi magnetismi päritolu ja kõik selle vastuse tagajärjed ei lahene selle meetodi abil üleöö. "See on üks pusletükk," ütles Brüggen. "Kuid see on väga oluline tükk."