Radiokartat voivat paljastaa maailmankaikkeuden suurimmat magneettikentät | Quanta-lehti

Tekemällä karttoja massiivisten galaksijoukkojen sisällä olevista magneettikentistä tähtitieteilijät pääsevät lähemmäs kosmisen magnetismin alkuperän löytämistä.

"Nämä ovat ensimmäiset kartat magneettikenttien yksityiskohtaisesta rakenteesta ennennäkemättömän suuressa mittakaavassa", sanoi Alexandre Lazarian, tähtitieteilijä Wisconsinin yliopistossa, Madisonissa, ja toinen kirjoittaja karttoja kuvaavassa paperissa, julkaistu tänään Luonto Viestintä.

Lazarian ja hänen kollegansa tutkivat viittä galaksijoukkoa, joista kukin ulottuu miljoonien valovuosien päähän. He tekivät kartat hänen suunnittelemallaan tekniikalla nimeltä synchrotron intensity gradient (SIG) -kartoitus, joka perustuu radiohavaintoihin selvittääkseen, mihin suuntaan klusterin magneettikenttä osoittaa tietyssä paikassa. Käyttämällä samaa tekniikkaa koko klusterin alueella, tutkijat sanovat voivansa rakentaa täydellisen kartan sen magneettikentistä. Jos tulokset vahvistuvat, ne osoittaisivat, että jättimäisten rakenteiden magneettikentillä on aiemmin havaitsematon järjestys.

Magnetismi on kaikkialla maailmankaikkeudessa. Näemme sen maapallon pienimmästä mittakaavasta universumin suurimpaan, jossa se veistää kosmisia rakenteita, kuten tähtiä ja tähtienvälistä väliainetta. Magnetismi on myös ratkaisevan tärkeää tuntemamme elämälle, sillä se vaikuttaa kiraalisuuteen molekyylitasolla ja muodostaa suojakilven, joka ympäröi maapallon. Mutta suuri vastaamaton kysymys on ollut mistä kosminen magnetismi sai alkunsa. Jotkut tiedemiehet kannattavat alkuperäistä selitystä, jossa magnetismi syntyy ensimmäisinä hetkinä alkuräjähdyksen jälkeen muiden perusvoimien kanssa. Toiset kannattavat myöhempää saapumista, jolloin magnetismi syntyy satojen miljoonien vuosien jälkeen ja kasvaa magneettikenttien, kuten tähtien ja galaksien, tuottamista siemenkentistä.

Tämä uusi kartoitustekniikka saattaa tarjota ratkaisun, koska tähtitieteilijät voivat verrata magneettikenttiä suurimmassa mittakaavassa. Mutta tekniikalla on omat rajoituksensa, ja se on edelleen jonkin verran kiistanalainen laajamittaisen magnetismin alalla.

"Jos se toimii, se tarjoaa erittäin havainnollisesti edullisen tavan kartoittaa magneettikenttiä erittäin suurilla taivaan alueilla", sanoi Kate Pattle, astrofyysikko University College Londonissa.

Kosminen kartografia

Tiedemiehet löytävät tyypillisesti kosmisia magneettikenttiä tutkimalla synkrotronisäteilyä - radiopäästöt magneettikenttä taivuttaa elektronien reittiä, joka kulkee lähellä valonnopeutta. Tällaiset havainnot voivat myös käyttää radiosäteilyn suuntausta - niiden polarisaatiota - paljastamaan magneettikenttien suunnan. Polarisaatiomittaukset ovat kuitenkin äärimmäisen aikaa vieviä ja toimivat parhaiten galaksijoukon tiheämmillä ja pölyisemmillä alueilla.

Noin seitsemän vuotta sitten, Lazarian keksi keinon käyttää synkrotroniemissiota yksinään paljastamaan magneettikentän suunnan - polarisaatiota ei tarvita. Tekniikka käyttää havaintoja radiosäteilyn muuttuvasta voimakkuudesta, kun liikut avaruuden poikki, tai mitä tutkijat kutsuvat gradientiksi.

"Kirkkauden gradientti, suunta, johon kuva tulee himmeämmäksi tai kirkkaammaksi, liittyy magneettikenttiin", sanoi. Marcus Brüggen, astrofysiikan professori Hampurin yliopistossa Saksassa, jolla on aiemmin tutkittu suuria magneettikenttiä.

Alustavissa tähtienvälisen avaruuden havainnoissa "paljastimme tämän magneettikentän rakenteen kaikkialla, minne [katsoimme]", Lazarian sanoi.

Sitten ryhmä kääntyi galaksiklustereihin, jotka kasvavat pienempien galaksiryhmien törmääessä. Kun nämä fuusiot tapahtuvat, ne tuottavat iskurintamia, jotka "kyntävät [klusterin] väliaineen läpi", Brüggen sanoi. Kun magneettikentät ovat vuorovaikutuksessa noiden turbulenttien iskurintamien kanssa, ne tuottavat synkrotronipäästöjä. Tarkkailemalla tämän emission gradienttia tutkijat voivat päätellä magneettikentän suunnan, mikä puolestaan ​​​​heijastaa fuusioita, jotka ovat rakentaneet nämä klusterit ajan myötä.

Menetelmä antaa Lazarianille mahdollisuuden tutkia magneettikenttiä valtavien galaksijoukkojen avaruudessa, mukaan lukien rakenteen sisällä oleva diffuusi galaksien välinen tila, jossa polarisaatiomittaukset eivät ole mahdollisia. Tehdäkseen karttojaan ryhmä kohdistaa kohteenan viisi galaksijoukkoa, mukaan lukien El Gordo - hyvin tutkittu satojen galaksiryhmittymä, jonka halkaisija on 6 miljoonaa valovuotta. He katsoivat myös 2345 miljardin valovuoden päässä olevaa Abell 2:tä, noin puolen miljardin valovuoden päässä sijaitsevaa Abell 3376:ta ja kahta muuta.

Kaikki tutkijat eivät kuitenkaan ole vakuuttuneita siitä, että strategia seuraa tarkasti magneettikenttien liikettä. Muutokset magnetismin ohjaamissa synkrotronigradienteissa voivat olla vain muutoksia elektronien tai kaasujen tiheydessä. Menetelmä perustuu myös ilmiöön, joka tunnetaan turbulenssina galaksiklustereissa, joissa magneettikentät kiertyvät ja kääntyvät yhdessä - "tunnetun monimutkainen fyysinen prosessi", sanoi sanoi. Andrea Botteon, astrofyysikko Italian kansallisessa astrofysiikan instituutissa.

Magneettinen elämä

Jatkossa Lazarian haluaa käyttää SIG:tä – jos tekniikka kestää – galaksien välisten filamenttien magnetismin kartoittamiseen käyttämällä laajaa eurooppalaista radioverkkoa, nimeltään Low-Frequency Array. Jos näissä filamenteissa olevat kentät ovat kohdakkain toistensa kanssa, kuten ne ovat klustereissa, se saattaa viitata kosmisen magneettisen rakenteen alkulähteeseen pikemminkin kuin hitaaseen syntymiseen siemenmagneettikentistä. Brüggen sanoi, että tällainen kohdistus olisi "periaatteessa mahdotonta" tähdille ja galakseille luoda myöhempien kosmisten aikakausien aikana.

"Aaviukseni", Brüggen sanoi, "että tulemme huomaamaan, että magneettikenttiä syntyi maailmankaikkeuden varhaisessa vaiheessa."

Magnetismin alkuperän ennustaminen voi kertoa meille jotain kosmoksen asumiskelpoisuudesta. Itse elämä (ainakin sellaisena kuin me sen tunnemme maan päällä) luottaa magnetismiin ja sen vaikutukseen kiraalisuuteen antaakseen elämän rakennuspalikoita oikea- tai vasenkätisyys. "Jos magneettikenttiä muodostui maailmankaikkeuden alussa, voit muodostaa molekyylejä kiraalisesti hyvin varhain", Lazarian sanoi. Sitten "voimme kysyä, pitäisikö meidän odottaa näkevämme signaaleja sivilisaatioista, jotka muodostuivat melko varhaisessa maailmankaikkeuden historiassa."

Hän totesi myös, että galaksiklusterien magneettikentät voivat olla joidenkin tekijöiden lähde korkeimman energian kosmiset säteet joiden tiedetään läpäisevän maailmankaikkeuden, joilla on edelleen mystinen alkuperä. "On suuri kysymys siitä, voisivatko nämä galaksijoukot olla korkeimman energian kosmisten säteiden lähteitä", hän sanoi, ja kenttien kartoitus klusterien sisällä voisi auttaa ratkaisemaan tämän kysymyksen.

Ryhmän seuraava tavoite on tarkkailla galaksijoukkoja, jotka ovat kauempana ajassa taaksepäin. Vaikka El Gordo on valtava, se ulottuu vain siihen aikaan, kun maailmankaikkeus oli 6.5 miljardia valovuotta vanha, eli noin puolet nykyisestä 13.8 miljardin vuoden iästä. Tulevat radioteleskoopit, kuten Square Kilometer Array, laaja valikoima antenneja, jotka levitetään miljoonalle neliömetrille Etelä-Afrikassa ja Australiassa myöhemmin tällä vuosikymmenellä, voivat olla tarpeeksi tehokkaita soveltamaan tämän tyyppistä kartoitusta klustereihin, jotka olivat olemassa maailmankaikkeuden aikana. oli vain 1 miljardia vuotta vanha.

"Haluaisin nähdä, mitä tapahtui varhaisessa universumissa", sanoi Yue Hu, jatko-opiskelija Wisconsinin yliopistossa Madisonissa ja pääkirjailija.

Mutta magnetismin alkuperää universumissa ja kaikkia tämän vastauksen seurauksia ei ratkaista yhdessä yössä tällä menetelmällä. "Se on yksi palapelin pala", Brüggen sanoi. "Mutta se on erittäin merkittävä kappale."