Peta Radio Mungkin Mengungkap Medan Magnet Terbesar di Alam Semesta | Majalah Kuanta

Dengan membuat peta medan magnet yang tersembunyi di dalam gugus galaksi masif, para astronom semakin dekat untuk menemukan asal mula magnetisme kosmik.

“Ini adalah peta pertama dari struktur rinci medan magnet dalam skala besar yang belum pernah terjadi sebelumnya,” katanya Alexander Lazarian, seorang astronom di Universitas Wisconsin, Madison, dan rekan penulis makalah yang menjelaskan peta tersebut, diterbitkan hari ini di Alam Komunikasi.

Lazarian dan rekan-rekannya mempelajari lima gugus galaksi, masing-masing mencakup jutaan tahun cahaya. Mereka membuat peta menggunakan teknik yang ia rancang yang disebut pemetaan gradien intensitas sinkrotron (SIG), yang mengandalkan pengamatan radio untuk mengetahui ke arah mana medan magnet suatu cluster menunjuk pada lokasi tertentu. Dengan menerapkan teknik yang sama di seluruh cluster, para peneliti mengatakan mereka dapat membuat peta lengkap medan magnetnya. Hasilnya, jika dikonfirmasi, akan menunjukkan bahwa ada tatanan medan magnet yang sebelumnya tidak terdeteksi dalam struktur raksasa.

Magnetisme ada di mana-mana di alam semesta. Kita melihatnya dari skala terkecil di Bumi hingga skala terbesar di alam semesta, di mana ia membentuk struktur kosmik seperti bintang dan medium antarbintang. Magnetisme juga penting bagi kehidupan yang kita kenal, karena memengaruhi kiralitas pada tingkat molekuler dan membentuk perisai pelindung yang menyelimuti Bumi. Namun ada pertanyaan besar yang belum terjawab tempat asal mula magnetisme kosmis. Beberapa ilmuwan lebih menyukai penjelasan primordial, dengan magnet yang muncul pada saat-saat pertama setelah Big Bang bersama kekuatan fundamental lainnya. Yang lain lebih menyukai kedatangan yang terlambat, dengan daya tarik yang muncul setelah ratusan juta tahun dan tumbuh dari benih medan magnet yang dihasilkan oleh benda-benda seperti bintang dan galaksi.

Teknik pemetaan baru ini mungkin menawarkan solusi dengan memungkinkan para astronom membandingkan medan magnet pada skala yang sangat besar. Namun teknik ini memiliki keterbatasannya sendiri dan masih kontroversial di bidang magnet skala besar.

“Jika berhasil, ini memberi Anda cara yang sangat murah untuk memetakan medan magnet di wilayah langit yang sangat luas,” katanya Kate Pattle, seorang astrofisikawan di University College London.

Kartografi Kosmik

Para ilmuwan biasanya menemukan medan magnet kosmik dengan mempelajari radiasi sinkrotron — emisi radio dihasilkan ketika medan magnet membengkokkan jalur elektron yang bergerak mendekati kecepatan cahaya. Pengamatan semacam itu juga dapat menggunakan orientasi emisi radio tersebut – polarisasinya – untuk mengungkap orientasi medan magnet. Namun pengukuran polarisasi sangat memakan waktu dan bekerja paling baik di wilayah gugus galaksi yang lebih padat dan berdebu.

Sekitar tujuh tahun lalu, Lazarian menemukan cara untuk menggunakan emisi sinkrotron saja untuk mengungkapkan arah medan magnet — tidak diperlukan polarisasi. Teknik ini menggunakan pengamatan terhadap perubahan kekuatan emisi radio saat Anda bergerak melintasi ruang angkasa, atau yang disebut peneliti sebagai gradien.

Gradien kecerahan, arah gambar menjadi lebih redup atau terang, berkaitan dengan medan magnet, katanya Marcus Bruggen, seorang profesor astrofisika di Universitas Hamburg di Jerman yang memiliki sebelumnya mempelajari medan magnet besar.

Dalam pengamatan awal ruang antarbintang, “ke mana pun kami [melihat], kami mengungkapkan struktur medan magnet ini,” kata Lazarian.

Tim kemudian beralih ke gugus galaksi, yang tumbuh seiring tumbukan kelompok galaksi yang lebih kecil. Ketika penggabungan ini terjadi, mereka menghasilkan shock front yang “menembus media [intracluster],” kata Brüggen. Ketika medan magnet berinteraksi dengan guncangan turbulen tersebut, medan magnet tersebut menghasilkan emisi sinkrotron. Dengan mengamati gradien emisi tersebut, para peneliti dapat menyimpulkan arah medan magnet, yang pada gilirannya mencerminkan penggabungan yang telah membangun cluster-cluster ini dari waktu ke waktu.

Metode ini memungkinkan Lazarian untuk mensurvei medan magnet di seluruh gugusan galaksi besar, termasuk ruang antargalaksi yang tersebar di dalam struktur di mana pengukuran polarisasi tidak mungkin dilakukan. Untuk membuat peta, tim menargetkan lima gugus galaksi, termasuk El Gordo – kumpulan ratusan galaksi yang telah dipelajari dengan baik dan membentang sejauh 6 juta tahun cahaya. Mereka juga mengamati Abell 2345 yang berjarak 2 miliar tahun cahaya, Abell 3376 yang berjarak sekitar setengah miliar tahun cahaya, dan dua lainnya.

Namun, tidak semua ilmuwan yakin bahwa strategi ini mampu melacak pergerakan medan magnet secara akurat. Apa yang tampak seperti pergeseran gradien sinkrotron yang digerakkan oleh magnet bisa jadi hanyalah perubahan kerapatan elektron atau gas. Metode ini juga mengandalkan fenomena yang dikenal sebagai turbulensi di gugus galaksi, di mana medan magnet saling berputar dan berputar – “sebuah proses fisik yang sangat kompleks,” kata Andrea Botton, seorang astrofisikawan di Institut Nasional Astrofisika di Italia.

Kehidupan Magnetik

Di masa depan, Lazarian ingin menggunakan SIG – jika teknik ini berhasil – untuk memetakan magnetisme dalam filamen antar galaksi menggunakan jaringan radio luas Eropa yang disebut Low-Frequency Array. Jika medan-medan dalam filamen-filamen tersebut selaras satu sama lain, karena mereka berada dalam kelompok, hal ini mungkin menunjukkan adanya sumber primordial dari struktur magnet kosmik, bukan kemunculan perlahan dari medan magnet benih. Keselarasan seperti itu “pada dasarnya tidak mungkin” diciptakan oleh bintang dan galaksi pada zaman kosmik berikutnya, kata Brüggen.

“Firasat saya,” kata Brüggen, “adalah kita akan menemukan bahwa medan magnet dihasilkan pada awal alam semesta.”

Meramalkan asal mula magnetisme dapat memberi tahu kita sesuatu tentang kelayakhunian kosmos. Kehidupan itu sendiri (setidaknya seperti yang kita ketahui di Bumi) bergantung pada magnetisme dan pengaruhnya terhadap kiralitas untuk memberikan landasan bagi kehidupan. kidal atau kidal. “Jika medan magnet terbentuk pada awal mula alam semesta, maka Anda dapat membentuk molekul dengan sifat kiralitas sejak awal,” kata Lazarian. Kemudian, “kita dapat mengajukan pertanyaan [tentang] apakah kita akan melihat sinyal-sinyal peradaban yang terbentuk pada awal sejarah alam semesta.”

Dia juga mencatat bahwa medan magnet di gugus galaksi bisa menjadi sumber dari beberapa hal tersebut sinar kosmik berenergi tertinggi diketahui meliputi alam semesta, yang masih memiliki asal muasal misterius. “Ada pertanyaan besar [tentang] apakah gugus galaksi ini dapat menjadi sumber sinar kosmik dengan energi tertinggi,” katanya, dan memetakan medan di dalam gugus dapat membantu menjawab pertanyaan tersebut.

Tujuan tim selanjutnya adalah mengamati gugus galaksi yang letaknya lebih jauh dan jauh ke masa lalu. El Gordo, meskipun sangat besar, hanya terentang sejak alam semesta berusia 6.5 ​​miliar tahun cahaya, sekitar setengah dari usia alam semesta saat ini yaitu 13.8 miliar tahun. Teleskop radio yang akan datang seperti Square Kilometer Array, rangkaian antena yang luas yang akan tersebar di area seluas 1 juta meter persegi di Afrika Selatan dan Australia pada akhir dekade ini, mungkin cukup kuat untuk menerapkan jenis pemetaan ini pada gugus-gugus yang ada ketika alam semesta terbentuk. baru berusia 3 miliar tahun.

“Saya ingin melihat apa yang terjadi di alam semesta awal,” katanya Yuehu, seorang mahasiswa pascasarjana di University of Wisconsin, Madison, dan penulis utama makalah tersebut.

Namun asal muasal magnetisme di alam semesta, dan seluruh implikasi dari jawaban tersebut, tidak akan dapat dipecahkan dalam semalam dengan menggunakan metode ini. “Itu adalah salah satu bagian dari teka-teki,” kata Brüggen. “Tetapi ini adalah bagian yang sangat penting.”