מפות רדיו עשויות לחשוף את השדות המגנטיים הגדולים ביותר של היקום | מגזין קוונטה

על ידי יצירת מפות של השדות המגנטיים החבויים בתוך צבירי גלקסיות מסיביים, אסטרונומים מתקרבים למציאת מקור המגנטיות הקוסמית.

"אלה המפות הראשונות של המבנה המפורט של שדות מגנטיים בקנה מידה גדול חסר תקדים", אמר אלכסנדר לזריאן, אסטרונום מאוניברסיטת ויסקונסין, מדיסון, ומחבר שותף במאמר המתאר את המפות, פורסם היום ב תקשורת טבע.

לזאריאן ועמיתיו חקרו חמישה צבירי גלקסיות, שכל אחד מהם משתרע על פני מיליוני שנות אור. הם יצרו את המפות באמצעות טכניקה שהגה בשם מיפוי סינכרוטרון אינטנסיביות (SIG), המסתמך על תצפיות רדיו כדי לגלות לאיזה כיוון מצביע השדה המגנטי של צביר במיקום נתון. על ידי יישום אותה טכניקה על פני אשכול שלם, החוקרים אומרים שהם יכולים לבנות מפה שלמה של השדות המגנטיים שלו. התוצאות, אם יאושרו, יראו שיש סדר שלא זוהה בעבר לשדות מגנטיים במבני ענק.

מגנטיות נמצאת בכל מקום ביקום. אנו רואים אותו מהקשקשים הקטנים ביותר על פני כדור הארץ ועד הגדולים ביותר ביקום, שם הוא מפסל מבנים קוסמיים כמו כוכבים והמדיום הבין-כוכבי. מגנטיות היא גם חיונית לחיים כפי שאנו מכירים אותם, משפיעה על כיראליות ברמה מולקולרית ומעצבת את המגן המגן המקיף את כדור הארץ. אבל שאלה גדולה ללא תשובה הייתה היכן נוצרה המגנטיות הקוסמית. כמה מדענים מעדיפים הסבר ראשוני, כאשר מגנטיות מתעוררת ברגעים הראשונים שלאחר המפץ הגדול עם כוחות היסוד האחרים. אחרים מעדיפים הגעה מאוחרת יותר, כאשר מגנטיות נוצרת לאחר מאות מיליוני שנים וצומחת משדות מגנטיים זרעים המיוצרים על ידי עצמים כמו כוכבים וגלקסיות.

טכניקת מיפוי חדשה זו עשויה להציע פתרון בכך שתאפשר לאסטרונומים להשוות שדות מגנטיים בקנה מידה הגדול ביותר. אבל לטכניקה יש מגבלות משלה והיא נותרה שנויה במחלוקת בתחום המגנטיות בקנה מידה גדול.

"אם זה עובד, זה נותן לך דרך זולה מאוד מבחינה תצפיתית למיפוי שדות מגנטיים על פני שטחים גדולים מאוד בשמים," אמר קייט פאטל, אסטרופיזיקאי באוניברסיטת קולג' בלונדון.

קרטוגרפיה קוסמית

מדענים בדרך כלל מוצאים שדות מגנטיים קוסמיים על ידי חקר קרינת סינכרוטרון - פליטות רדיו המיוצר כששדה מגנטי מכופף את נתיב האלקטרונים הנוסעים קרוב למהירות האור. תצפיות כאלה יכולות גם להשתמש בכיוון של אותן פליטות רדיו - הקיטוב שלהן - כדי לחשוף את כיוון השדות המגנטיים. אבל מדידות הקיטוב גוזלות זמן רב, והן עובדות בצורה הטובה ביותר באזורים צפופים ומאובקים יותר של צביר גלקסיות.

לפני כשבע שנים, לזריאן המציא דרך להשתמש בפליטת סינכרוטרון לבדה כדי לחשוף את כיוון השדה המגנטי - אין צורך בקיטוב. הטכניקה משתמשת בתצפיות על החוזק המשתנה של פליטת הרדיו בזמן שאתה נע בחלל, או במה שחוקרים מכנים שיפוע.

"השיפוע בבהירות, הכיוון שבו התמונה נעשית חלשה או בהירה יותר, מתייחס לשדות המגנטיים", אמר מרקוס בריגן, פרופסור לאסטרופיזיקה באוניברסיטת המבורג בגרמניה שיש לו חקר בעבר שדות מגנטיים גדולים.

בתצפיות ראשוניות של החלל הבין-כוכבי, "בכל מקום [הסתכלנו], חשפנו את מבנה השדה המגנטי הזה," אמר לזאריאן.

לאחר מכן פנה הצוות לצבירי גלקסיות, שגדלים ככל שקבוצות קטנות יותר של גלקסיות מתנגשות. כאשר המיזוגים הללו מתרחשים, הם מייצרים חזיתות זעזועים ש"חורשות את המדיום [התוך אשכול]", אמר ברוגן. כאשר שדות מגנטיים מקיימים אינטראקציה עם אותן חזיתות זעזועים סוערים, הם מייצרים פליטת סינכרוטרונים. על ידי התבוננות בשיפוע של הפליטה הזו, החוקרים יכולים להסיק את כיוון השדה המגנטי, אשר בתורו משקף את המיזוגים שבנו את המקבצים הללו לאורך זמן.

השיטה מאפשרת לזאריאן לסקור שדות מגנטיים על פני מרחב של צבירי גלקסיות ענקיים, כולל החלל הבין-גלקטי המפוזר בתוך המבנה שבו מדידות קיטוב אינן אפשריות. כדי ליצור את המפות שלהם, הצוות כיוון לחמישה צבירי גלקסיות, כולל אל גורדו - גוש שנחקר היטב של מאות גלקסיות המשתרע על פני 6 מיליון שנות אור. הם הסתכלו גם על Abell 2345, במרחק של 2 מיליארד שנות אור, Abell 3376, במרחק של כחצי מיליארד שנות אור, ושניים אחרים.

עם זאת, לא כל המדענים משוכנעים שהאסטרטגיה עוקבת במדויק אחר תנועת השדות המגנטיים. מה שנראה כמו שינויים בשיפועים סינכרוטרוניים מונעי מגנטיות יכול להיות רק שינויים בצפיפות האלקטרונים או הגז. השיטה מסתמכת גם על תופעה הידועה בשם מערבולות בצבירי גלקסיות, שבה שדות מגנטיים מתפתלים ומתפתלים יחד - "תהליך פיזיקלי מורכב הידוע לשמצה", אמר. אנדריאה בוטון, אסטרופיזיקאי במכון הלאומי לאסטרופיזיקה באיטליה.

חיים מגנטיים

בעתיד, לזאריאן רוצה להשתמש ב-SIG - אם הטכניקה תחזיק מעמד - כדי למפות את המגנטיות בחוטים בין גלקסיות באמצעות רשת רדיו אירופאית ענקית בשם מערך התדרים הנמוכים. אם השדות באותם חוטים מיושרים זה עם זה, כפי שהם בצבירים, זה עשוי להצביע על מקור ראשוני של מבנה מגנטי קוסמי ולא על הופעה איטית משדות מגנטיים זרעים. יישור כזה יהיה "בלתי אפשרי בעצם" עבור כוכבים וגלקסיות ליצור בתקופות קוסמיות מאוחרות יותר, אמר ברוגן.

"התחושה שלי", אמר ברוגן, "נגלה ששדות מגנטיים נוצרו מוקדם ביקום."

ניחוש מקור המגנטיות עשוי לומר לנו משהו על יכולת המגורים של הקוסמוס. החיים עצמם (לפחות כפי שאנו מכירים אותם על כדור הארץ) מסתמכים על מגנטיות והשפעתם על הכיראליות כדי לתת לאבני הבניין של החיים יד ימין או שמאל. "אם נוצרו שדות מגנטיים בתחילת היקום, אתה יכול ליצור מולקולות עם כיראליות מוקדם מאוד", אמר לזאריאן. לאחר מכן, "אנו יכולים לשאול את השאלה האם עלינו לצפות לראות אותות של תרבויות שנוצרו די מוקדם בהיסטוריה של היקום."

הוא גם ציין ששדות מגנטיים בצבירי גלקסיות יכולים להיות המקור לחלק מה קרניים קוסמיות בעלות האנרגיה הגבוהה ביותר ידוע כמחלחל ביקום, שעדיין יש להם מקור מסתורי. "יש שאלה גדולה [בקשר] האם צבירי הגלקסיות האלה יכולים להיות המקורות של הקרניים הקוסמיות של האנרגיה הגבוהה ביותר", אמר, ומיפוי השדות בתוך צבירים יכול לעזור לפתור את השאלה הזו.

המטרה הבאה של הצוות היא לצפות בצבירי גלקסיות שנמצאים רחוק יותר ויותר אחורה בזמן. אל גורדו, על אף שהוא עצום, נמשך רק עד שהיקום היה בן 6.5 מיליארד שנות אור, כמחצית מגילו הנוכחי של 13.8 מיליארד שנים. טלסקופי רדיו עתידיים כגון מערך הקילומטרים המרובע, מערך עצום של אנטנות שיתפרס על פני מיליון מ"ר בדרום אפריקה ובאוסטרליה בהמשך העשור הזה, יכולים להיות חזקים מספיק כדי ליישם סוג זה של מיפוי על צבירים שהיו קיימים כשהיקום היה רק ​​בן 1 מיליארד שנים.

"הייתי רוצה לראות מה קרה ביקום המוקדם", אמר יו הו, סטודנט לתואר שני באוניברסיטת ויסקונסין, מדיסון, ומחבר ראשי בעיתון.

אבל מקור המגנטיות ביקום, וכל ההשלכות של התשובה הזו, לא ייפתרו בן לילה בשיטה זו. "זה חלק אחד מהפאזל," אמר ברוגן. "אבל זו יצירה מאוד משמעותית."