Hărțile radio ar putea dezvălui cele mai mari câmpuri magnetice ale universului | Revista Quanta

Făcând hărți ale câmpurilor magnetice ascunse în interiorul clusterelor masive de galaxii, astronomii sunt tot mai aproape de a găsi originea magnetismului cosmic.

„Acestea sunt primele hărți ale structurii detaliate a câmpurilor magnetice la o scară fără precedent”, a spus Alexandre Lazarian, un astronom la Universitatea din Wisconsin, Madison, și un coautor al lucrării care descrie hărțile, publicat astăzi în Natura Comunicaţii.

Lazarian și colegii săi au studiat cinci grupuri de galaxii, fiecare cuprinzând milioane de ani lumină. Ei au realizat hărțile folosind o tehnică concepută de el, numită cartografiere cu gradient de intensitate a sincrotronului (SIG), care se bazează pe observații radio pentru a determina direcția în care câmpul magnetic al unui cluster se află într-o anumită locație. Aplicând aceeași tehnică într-un întreg cluster, cercetătorii spun că pot construi o hartă completă a câmpurilor sale magnetice. Rezultatele, dacă ar fi confirmate, ar arăta că există o ordine nedetectată anterior în câmpurile magnetice din structurile gigantice.

Magnetismul este omniprezent în univers. O vedem de la cele mai mici scale de pe Pământ până la cea mai mare din univers, unde sculptează structuri cosmice precum stelele și mediul interstelar. Magnetismul este, de asemenea, crucial pentru viață așa cum o cunoaștem, influențând chiralitatea la nivel molecular și creând scutul protector care cuprinde Pământul. Dar o mare întrebare fără răspuns a fost de unde a apărut magnetismul cosmic. Unii oameni de știință sunt în favoarea unei explicații primordiale, magnetismul apărând în primele momente după Big Bang cu celelalte forțe fundamentale. Alții favorizează o sosire ulterioară, magnetismul aparând după sute de milioane de ani și crescând din câmpurile magnetice semințe produse de obiecte precum stelele și galaxiile.

Această nouă tehnică de cartografiere ar putea oferi o soluție, permițând astronomilor să compare câmpurile magnetice la cele mai mari scale. Dar tehnica are propriile sale limitări și rămâne oarecum controversată în domeniul magnetismului la scară largă.

„Dacă funcționează, vă oferă o modalitate foarte ieftină din punct de vedere observațional de a mapa câmpurile magnetice pe zone foarte mari ale cerului”, a spus Kate Pattle, astrofizician la University College London.

Cartografie cosmică

Oamenii de știință găsesc de obicei câmpuri magnetice cosmice studiind radiația sincrotron - emisii radio produs ca un câmp magnetic curbează calea electronilor care se deplasează aproape de viteza luminii. Astfel de observații pot folosi și orientarea acelor emisii radio - polarizarea lor - pentru a dezvălui orientarea câmpurilor magnetice. Dar măsurătorile de polarizare sunt extrem de consumatoare de timp și funcționează cel mai bine în regiunile mai dense și mai prăfuite ale unui cluster de galaxii.

Acum vreo șapte ani, Lazarian a venit cu o cale să folosească doar emisia de sincrotron pentru a dezvălui direcția câmpului magnetic - nu este necesară polarizarea. Tehnica folosește observații ale puterii în schimbare a emisiei radio pe măsură ce vă deplasați prin spațiu sau ceea ce cercetătorii numesc gradient.

„Gradientul în luminozitate, direcția în care imaginea devine mai slabă sau mai luminoasă, se referă la câmpurile magnetice”, a spus Marcus Brüggen, un profesor de astrofizică la Universitatea din Hamburg din Germania, care are studiate anterior câmpuri magnetice mari.

În observațiile preliminare ale spațiului interstelar, „oriunde ne-am uitat, am dezvăluit această structură a câmpului magnetic”, a spus Lazarian.

Apoi, echipa s-a orientat către grupurile de galaxii, care cresc pe măsură ce grupuri mai mici de galaxii se ciocnesc. Când au loc aceste fuziuni, ele produc fronturi de șoc care „trec prin mediul [intracluster]”, a spus Brüggen. Când câmpurile magnetice interacționează cu acele fronturi de șoc turbulente, ele produc emisie de sincrotron. Observând gradientul acelei emisii, cercetătorii pot deduce direcția câmpului magnetic, care, la rândul său, reflectă fuziunile care au construit aceste clustere în timp.

Metoda îi permite lui Lazarian să cerceteze câmpurile magnetice de-a lungul întinderii uriașe de grupuri de galaxii, inclusiv spațiul intergalactic difuz din cadrul structurii în care măsurătorile de polarizare nu sunt posibile. Pentru a-și realiza hărțile, echipa a vizat cinci grupuri de galaxii, inclusiv El Gordo - un grup bine studiat de sute de galaxii care se întinde pe 6 milioane de ani lumină. Ei s-au uitat, de asemenea, la Abell 2345, la 2 miliarde de ani lumină distanță, Abell 3376, la aproximativ o jumătate de miliard de ani lumină distanță și alte două.

Totuși, nu toți oamenii de știință sunt convinși că strategia urmărește cu exactitate mișcarea câmpurilor magnetice. Ceea ce arată ca schimbări ale gradienților de sincrotron conduși de magnetism ar putea fi doar modificări ale densității electronilor sau gazului. Metoda se bazează, de asemenea, pe un fenomen cunoscut sub numele de turbulență în grupurile de galaxii, unde câmpurile magnetice se răsucesc și se întorc împreună - „un proces fizic notoriu de complex”, a spus. Andrea Botteon, astrofizician la Institutul Național de Astrofizică din Italia.

Viața magnetică

În viitor, Lazarian dorește să folosească SIG – dacă tehnica rezistă – pentru a mapa magnetismul din filamente între galaxii folosind o vastă rețea radio europeană numită Low-Frequency Array. Dacă câmpurile din aceste filamente sunt aliniate unele cu altele, așa cum sunt în grupuri, ar putea sugera o sursă primordială a structurii magnetice cosmice, mai degrabă decât o apariție lentă din câmpurile magnetice de semințe. O astfel de aliniere ar fi „esențial imposibilă” pentru stele și galaxii să fie creată în epocile cosmice ulterioare, a spus Brüggen.

„Bănuiala mea”, a spus Brüggen, „este că vom descoperi că câmpurile magnetice au fost produse la începutul universului.”

A descoperi originea magnetismului ne poate spune ceva despre locuibilitatea cosmosului. Viața însăși (cel puțin așa cum o cunoaștem pe Pământ) se bazează pe magnetism și pe influența sa asupra chiralității pentru a oferi elementelor de bază ale vieții un dreptaci sau stângaci. „Dacă câmpurile magnetice s-au format la începutul universului, puteți forma molecule cu chiralitate foarte devreme”, a spus Lazarian. Apoi, „ne putem pune întrebarea dacă ar trebui să ne așteptăm să vedem semnale ale civilizațiilor care s-au format destul de timpuriu în istoria universului”.

El a remarcat, de asemenea, că câmpurile magnetice din clusterele de galaxii ar putea fi sursa unora dintre ele raze cosmice cu cea mai mare energie cunoscute pentru a pătrunde în univers, care au încă o origine misterioasă. „Există o mare întrebare [despre] dacă aceste clustere de galaxii ar putea fi sursele razelor cosmice de cea mai înaltă energie”, a spus el, iar cartografierea câmpurilor din clustere ar putea ajuta la rezolvarea acestei întrebări.

Următorul obiectiv al echipei este să observe clustere de galaxii care sunt mai îndepărtate și mai înapoi în timp. El Gordo, deși imens, se întinde doar pe vremea când universul avea 6.5 ​​miliarde de ani lumină, aproximativ jumătate din vârsta sa actuală de 13.8 miliarde de ani. Viitoarele radiotelescoape, cum ar fi Square Kilometer Array, o gamă vastă de antene care va fi răspândită pe 1 milion de metri pătrați în Africa de Sud și Australia la sfârșitul acestui deceniu, ar putea fi suficient de puternice pentru a aplica acest tip de cartografiere clusterelor care existau atunci când universul. avea doar 3 miliarde de ani.

„Aș dori să văd ce s-a întâmplat în universul timpuriu”, a spus Yue Hu, un student absolvent la Universitatea din Wisconsin, Madison, și autor principal al lucrării.

Dar originea magnetismului în univers și toate implicațiile acestui răspuns nu vor fi rezolvate peste noapte folosind această metodă. „Este o piesă a puzzle-ului”, a spus Brüggen. „Dar este o piesă foarte substanțială.”