نقشه های رادیویی ممکن است بزرگترین میدان های مغناطیسی جهان را آشکار کنند | مجله کوانتا

اخترشناسان با ساختن نقشه‌هایی از میدان‌های مغناطیسی پنهان در خوشه‌های کهکشانی عظیم، به یافتن منشأ مغناطیس کیهانی نزدیک‌تر می‌شوند.

گفت: "اینها اولین نقشه های ساختار دقیق میدان های مغناطیسی در مقیاس بی سابقه ای بزرگ هستند." الکساندر لازاریان، یک ستاره شناس در دانشگاه ویسکانسین، مدیسون، و یکی از نویسندگان مقاله در توصیف نقشه ها، امروز منتشر شده در طبیعت ارتباطات.

لازاریان و همکارانش پنج خوشه کهکشانی را مطالعه کردند که هر کدام میلیون‌ها سال نوری وسعت داشتند. آن‌ها نقشه‌ها را با استفاده از تکنیکی به نام نگاشت گرادیان شدت سنکروترون (SIG) ابداع کردند که بر مشاهدات رادیویی تکیه دارد تا مشخص کند که میدان مغناطیسی یک خوشه به کدام سمت در یک مکان مشخص است. با استفاده از تکنیک مشابه در کل یک خوشه، محققان می‌گویند می‌توانند نقشه کاملی از میدان‌های مغناطیسی آن بسازند. نتایج، در صورت تایید، نشان می‌دهند که نظمی که قبلاً کشف نشده بود برای میدان‌های مغناطیسی در ساختارهای غول‌پیکر وجود دارد.

مغناطیس در جهان هستی وجود دارد. ما آن را از کوچک‌ترین مقیاس روی زمین تا بزرگ‌ترین مقیاس جهان می‌بینیم، جایی که ساختارهای کیهانی مانند ستارگان و محیط بین ستاره‌ای را می‌سازد. مغناطیس همچنین برای زندگی آنطور که ما می شناسیم بسیار مهم است، و بر کایرال بودن در سطح مولکولی تأثیر می گذارد و سپر محافظی را ایجاد می کند که زمین را در بر می گیرد. اما یک سوال بزرگ بی پاسخ مانده است جایی که مغناطیس کیهانی سرچشمه گرفت. برخی از دانشمندان از یک توضیح اولیه حمایت می کنند، که مغناطیس در اولین لحظات پس از انفجار بزرگ با نیروهای بنیادی دیگر به وجود می آید. دیگران طرفدار ورود دیرتر هستند، با مغناطیس که پس از صدها میلیون سال به وجود آمده و از میدان های مغناطیسی بذر تولید شده توسط اجرامی مانند ستاره ها و کهکشان ها رشد می کند.

این تکنیک جدید نقشه برداری ممکن است راه حلی را با اجازه دادن به ستاره شناسان برای مقایسه میدان های مغناطیسی در بزرگترین مقیاس ارائه دهد. اما این تکنیک محدودیت های خاص خود را دارد و در زمینه مغناطیس در مقیاس بزرگ تا حدودی بحث برانگیز است.

گفت: "اگر کار کند، روشی بسیار کم هزینه برای نقشه برداری میدان های مغناطیسی در مناطق بسیار بزرگ آسمان به شما ارائه می دهد." کیت پتل، اخترفیزیکدان دانشگاه کالج لندن.

نقشه کشی کیهانی

دانشمندان معمولاً با مطالعه تابش سنکروترون میدان های مغناطیسی کیهانی را پیدا می کنند. انتشارات رادیویی تولید شده به عنوان یک میدان مغناطیسی مسیر الکترون هایی را که نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند، خم می کند. چنین مشاهداتی همچنین می‌تواند از جهت‌گیری آن گسیل‌های رادیویی - قطبش آنها - برای آشکار کردن جهت میدان‌های مغناطیسی استفاده کند. اما اندازه‌گیری‌های قطبش بسیار زمان‌بر هستند و در مناطق متراکم‌تر و غبارآلودتر از یک خوشه کهکشانی بهترین کار را دارند.

حدود هفت سال پیش لازاریان راهی پیدا کرد استفاده از گسیل سینکروترون به تنهایی برای آشکار کردن جهت میدان مغناطیسی - بدون نیاز به قطبش. این تکنیک از مشاهدات قدرت در حال تغییر تابش رادیویی هنگام حرکت در فضا یا چیزی که محققان گرادیان می‌گویند استفاده می‌کند.

شیب در روشنایی، جهتی که تصویر در آن کم‌نور یا روشن‌تر می‌شود، به میدان‌های مغناطیسی مربوط می‌شود. مارکوس بروگن، استاد اخترفیزیک دانشگاه هامبورگ آلمان که دارد قبلاً میدان های مغناطیسی بزرگ را مورد مطالعه قرار داده بود.

لازاریان گفت: در مشاهدات اولیه فضای بین ستاره‌ای، "به هر کجا که [نگاه کردیم]، این ساختار میدان مغناطیسی را آشکار کردیم."

سپس تیم به خوشه های کهکشانی روی آوردند که با برخورد گروه های کوچکتر کهکشان ها رشد می کنند. بروگن گفت، هنگامی که این ادغام ها اتفاق می افتد، جبهه های شوکی ایجاد می کنند که "از طریق محیط [درون خوشه ای] شخم می زنند." وقتی میدان‌های مغناطیسی با آن جبهه‌های شوک متلاطم تعامل می‌کنند، انتشار سینکروترون تولید می‌کنند. با مشاهده گرادیان آن انتشار، محققان می توانند جهت میدان مغناطیسی را استنباط کنند که به نوبه خود نشان دهنده ادغام هایی است که این خوشه ها را در طول زمان ایجاد کرده است.

این روش به لازاریان اجازه می‌دهد تا میدان‌های مغناطیسی را در وسعت خوشه‌های کهکشانی عظیم، از جمله فضای پراکنده بین کهکشانی درون ساختار که در آن اندازه‌گیری قطبش امکان‌پذیر نیست، بررسی کند. این تیم برای تهیه نقشه های خود، پنج خوشه کهکشانی، از جمله ال گوردو را هدف قرار دادند - مجموعه ای از صدها کهکشان به خوبی مطالعه شده که وسعت آن 6 میلیون سال نوری است. آنها همچنین به آبل 2345، در فاصله 2 میلیارد سال نوری، آبل 3376، در فاصله نیم میلیارد سال نوری ما، و دو مورد دیگر نیز نگاه کردند.

با این حال، همه دانشمندان متقاعد نشده اند که این استراتژی حرکت میدان های مغناطیسی را به دقت دنبال می کند. آنچه شبیه تغییرات در شیب سنکروترون مبتنی بر مغناطیس است، می تواند فقط تغییرات در چگالی الکترون یا گاز باشد. این روش همچنین بر پدیده‌ای به نام تلاطم در خوشه‌های کهکشانی متکی است، جایی که میدان‌های مغناطیسی با هم می‌پیچند و می‌پیچند - «یک فرآیند فیزیکی بسیار پیچیده». آندریا بوتئون، اخترفیزیکدان در موسسه ملی اخترفیزیک ایتالیا.

زندگی مغناطیسی

در آینده، لازاریان می‌خواهد از SIG استفاده کند - اگر این تکنیک ادامه داشته باشد - برای نقشه‌برداری مغناطیس در رشته‌های بین کهکشان‌ها با استفاده از یک شبکه رادیویی اروپایی گسترده به نام آرایه فرکانس پایین. اگر میدان‌های این رشته‌ها، همانطور که به صورت خوشه‌ای هستند، با یکدیگر همسو باشند، ممکن است به جای ظهور آهسته از میدان‌های مغناطیسی بذر، منبع اولیه ساختار مغناطیسی کیهانی را نشان دهد. بروگن گفت که ایجاد چنین هم‌ترازی برای ستاره‌ها و کهکشان‌ها در دوره‌های کیهانی بعدی اساساً غیرممکن است.

بروگن می‌گوید: «نظر من این است که متوجه می‌شویم که میدان‌های مغناطیسی در اوایل جهان ایجاد شده‌اند.»

پیشگویی منشأ مغناطیس ممکن است چیزی در مورد قابلیت سکونت کیهان به ما بگوید. خود زندگی (حداقل همانطور که ما آن را روی زمین می شناسیم) به مغناطیس و تأثیر آن بر کایرالیته تکیه می کند تا به اجزای سازنده حیات یک ساختار بدهد. راست یا چپ دستی. لازاریان می‌گوید: «اگر میدان‌های مغناطیسی در ابتدای جهان شکل گرفته باشند، می‌توان مولکول‌هایی را با کایرالیته خیلی زود تشکیل داد. سپس، «ما می‌توانیم این سؤال را بپرسیم که آیا باید منتظر دیدن سیگنال‌هایی از تمدن‌هایی باشیم که در اوایل تاریخ جهان شکل گرفته‌اند؟»

او همچنین خاطرنشان کرد که میدان‌های مغناطیسی در خوشه‌های کهکشانی می‌تواند منشأ برخی از آنها باشد پر انرژی ترین پرتوهای کیهانی شناخته شده برای نفوذ در جهان، که هنوز هم منشاء اسرارآمیز دارند. او گفت: «یک سوال بزرگ [در مورد] وجود دارد که آیا این خوشه‌های کهکشانی می‌توانند منابع پرتوهای کیهانی با بالاترین انرژی باشند یا خیر، و نقشه‌برداری از میدان‌های درون خوشه‌ها می‌تواند به حل این سؤال کمک کند.

هدف بعدی این تیم مشاهده خوشه های کهکشانی است که دورتر و در زمان دورتر هستند. ال گوردو، اگرچه بسیار زیاد است، اما تنها به زمانی که جهان 6.5 میلیارد سال نوری داشت، یعنی تقریباً نیمی از سن کنونی آن، یعنی 13.8 میلیارد سال، باز می گردد. تلسکوپ های رادیویی آینده مانند آرایه کیلومتر مربع، مجموعه وسیعی از آنتن ها که در 1 میلیون متر مربع در آفریقای جنوبی و استرالیا در اواخر این دهه پراکنده خواهند شد، می توانند به اندازه کافی قدرتمند باشند تا این نوع نقشه برداری را برای خوشه هایی که در زمان کیهان وجود داشته اند اعمال کنند. فقط 3 میلیارد سال سن داشت

گفت: "من دوست دارم ببینم در جهان اولیه چه اتفاقی افتاده است." یو هو، دانشجوی کارشناسی ارشد در دانشگاه ویسکانسین، مدیسون، و نویسنده اصلی مقاله.

اما منشأ مغناطیس در جهان و تمام پیامدهای آن پاسخ، با استفاده از این روش یک شبه حل نخواهد شد. بروگن گفت: «این یک تکه از پازل است. "اما این یک قطعه بسیار مهم است."