แผนที่วิทยุอาจเปิดเผยสนามแม่เหล็กที่ใหญ่ที่สุดในจักรวาล | นิตยสารควอนต้า

ด้วยการสร้างแผนที่ของสนามแม่เหล็กที่ซ่อนอยู่ภายในกระจุกกาแลคซีขนาดใหญ่ นักดาราศาสตร์จึงเข้าใกล้การค้นหาต้นกำเนิดของแม่เหล็กในจักรวาลมากขึ้น

“นี่เป็นแผนที่แรกของโครงสร้างโดยละเอียดของสนามแม่เหล็กในขนาดใหญ่อย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน” กล่าว อเล็กซานเดร ลาซาเรียนนักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน เมดิสัน และผู้ร่วมเขียนบทความที่อธิบายแผนที่ เผยแพร่วันนี้ใน การสื่อสารธรรมชาติ.

Lazarian และเพื่อนร่วมงานของเขาศึกษากระจุกกาแลคซี 5 กระจุก แต่ละกระจุกมีความยาวหลายล้านปีแสง พวกเขาสร้างแผนที่โดยใช้เทคนิคที่เขาคิดค้นขึ้นซึ่งเรียกว่าการทำแผนที่การไล่ระดับความเข้มของแสงซินโครตรอน (SIG) ซึ่งอาศัยการสังเกตการณ์ทางวิทยุเพื่อหาว่าสนามแม่เหล็กของกระจุกดาวชี้ไปที่ตำแหน่งใด นักวิจัยกล่าวว่าพวกเขาสามารถสร้างแผนที่สนามแม่เหล็กที่สมบูรณ์ได้โดยใช้เทคนิคเดียวกันทั่วทั้งกระจุกดาว หากได้รับการยืนยัน ผลที่ได้จะแสดงให้เห็นว่ามีลำดับสนามแม่เหล็กในโครงสร้างขนาดยักษ์ที่ตรวจไม่พบก่อนหน้านี้

แม่เหล็กมีอยู่ทั่วไปในจักรวาล เราเห็นมันตั้งแต่ขนาดที่เล็กที่สุดในโลกไปจนถึงขนาดที่ใหญ่ที่สุดในจักรวาล โดยที่มันสร้างโครงสร้างจักรวาล เช่น ดวงดาวและสื่อระหว่างดวงดาว แม่เหล็กยังมีความสำคัญต่อชีวิตอย่างที่เราทราบกันดี โดยมีอิทธิพลต่อไคราลิตีในระดับโมเลกุลและสร้างเกราะป้องกันที่ล้อมรอบโลก แต่มีคำถามใหญ่ที่ยังไม่มีคำตอบ แหล่งกำเนิดแม่เหล็กจักรวาล. นักวิทยาศาสตร์บางคนชอบคำอธิบายแบบดึกดำบรรพ์ โดยแม่เหล็กเกิดขึ้นในช่วงเวลาแรกหลังบิ๊กแบงพร้อมกับแรงพื้นฐานอื่นๆ บางคนชอบการมาถึงในภายหลัง โดยแม่เหล็กเกิดขึ้นหลังจากผ่านไปหลายร้อยล้านปีและเติบโตจากสนามแม่เหล็กเมล็ดพืชที่เกิดจากวัตถุเช่นดวงดาวและกาแลคซี

เทคนิคการทำแผนที่ใหม่นี้อาจเสนอวิธีแก้ปัญหาด้วยการให้นักดาราศาสตร์เปรียบเทียบสนามแม่เหล็กในระดับที่ใหญ่ที่สุดได้ แต่เทคนิคนี้มีข้อจำกัดของตัวเองและยังคงค่อนข้างเป็นที่ถกเถียงในสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่

“ถ้ามันได้ผล มันจะช่วยให้คุณมีวิธีการสังเกตที่ไม่แพงมากในการทำแผนที่สนามแม่เหล็กเหนือพื้นที่ขนาดใหญ่มากของท้องฟ้า” กล่าว เคท แพตเทิลนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยคอลเลจลอนดอน

การทำแผนที่จักรวาล

โดยทั่วไปแล้ว นักวิทยาศาสตร์จะค้นหาสนามแม่เหล็กคอสมิกโดยการศึกษารังสีซินโครตรอน — การปล่อยคลื่นวิทยุ เกิดขึ้นจากสนามแม่เหล็กที่โค้งงอเส้นทางของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เข้าใกล้ความเร็วแสง การสังเกตดังกล่าวยังสามารถใช้การวางแนวของการปล่อยคลื่นวิทยุเหล่านั้น - โพลาไรเซชัน - เพื่อเปิดเผยการวางแนวของสนามแม่เหล็ก แต่การวัดโพลาไรเซชันนั้นใช้เวลานานมาก และทำงานได้ดีที่สุดในบริเวณที่หนาแน่นและมีฝุ่นมากกว่าในกระจุกกาแลคซี

ประมาณเจ็ดปีที่แล้ว ลาซาเรียน มีวิธีเกิดขึ้น เพื่อใช้การปล่อยแสงซินโครตรอนเพียงอย่างเดียวเพื่อแสดงทิศทางของสนามแม่เหล็ก โดยไม่จำเป็นต้องโพลาไรเซชัน เทคนิคนี้ใช้การสังเกตความแรงที่เปลี่ยนแปลงของการปล่อยคลื่นวิทยุเมื่อคุณเคลื่อนที่ข้ามอวกาศ หรือสิ่งที่นักวิจัยเรียกว่าการไล่ระดับสี

“การไล่ระดับความสว่าง ซึ่งเป็นทิศทางที่ภาพจางลงหรือสว่างขึ้น เกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็ก” กล่าว มาร์คัส บรูกเก้นซึ่งเป็นศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยฮัมบวร์ก ประเทศเยอรมนี ที่ได้ ก่อนหน้านี้ศึกษาสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่.

ในการสังเกตการณ์เบื้องต้นเกี่ยวกับอวกาศระหว่างดวงดาว “ทุกที่ที่เรา [ดู] เราเผยให้เห็นโครงสร้างสนามแม่เหล็กนี้” ลาซาเรียนกล่าว

จากนั้นทีมงานจึงหันไปหากระจุกกาแลคซีซึ่งเติบโตขึ้นเมื่อกาแลคซีกลุ่มเล็กๆ ชนกัน เมื่อการควบรวมกิจการเหล่านี้เกิดขึ้น พวกมันจะทำให้เกิดส่วนหน้ากระแทกที่ “ไถลผ่านตัวกลาง [ในคลัสเตอร์]” บรูกเกนกล่าว เมื่อสนามแม่เหล็กมีปฏิกิริยากับส่วนหน้าของแรงกระแทกที่ปั่นป่วน พวกมันจะปล่อยแสงซินโครตรอน ด้วยการสังเกตการไล่ระดับของการปล่อยนั้น นักวิจัยสามารถอนุมานทิศทางของสนามแม่เหล็กได้ ซึ่งจะสะท้อนถึงการควบรวมที่ได้สร้างกระจุกดาวเหล่านี้เมื่อเวลาผ่านไป

วิธีนี้ช่วยให้ Lazarian สามารถสำรวจสนามแม่เหล็กทั่วกระจุกดาราจักรขนาดใหญ่ รวมถึงพื้นที่ระหว่างดาราจักรที่กระจัดกระจายภายในโครงสร้างซึ่งไม่สามารถวัดโพลาไรเซชันได้ ในการสร้างแผนที่ ทีมงานกำหนดเป้าหมายกระจุกกาแลคซี 6 กระจุก รวมทั้งเอล กอร์โด ซึ่งเป็นกระจุกกาแลคซีหลายร้อยแห่งที่ได้รับการศึกษามาอย่างดีซึ่งแผ่ขยายออกไป 2345 ล้านปีแสง พวกเขายังได้ดูเอเบลล์ 2 ซึ่งอยู่ห่างออกไป 3376 พันล้านปีแสง เอเบลล์ XNUMX ซึ่งอยู่ห่างออกไปประมาณครึ่งพันล้านปีแสง และอีกสองดวง

อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่นักวิทยาศาสตร์ทุกคนจะเชื่อว่ากลยุทธ์นี้สามารถติดตามการเคลื่อนที่ของสนามแม่เหล็กได้อย่างแม่นยำ สิ่งที่ดูเหมือนการเปลี่ยนแปลงของการไล่ระดับซินโครตรอนที่ขับเคลื่อนด้วยแม่เหล็กอาจเป็นการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนหรือก๊าซเท่านั้น วิธีการนี้ยังอาศัยปรากฏการณ์ที่เรียกว่าความปั่นป่วนในกระจุกดาราจักร โดยที่สนามแม่เหล็กบิดตัวและหมุนเข้าหากัน “เป็นกระบวนการทางกายภาพที่ซับซ้อนอย่างฉาวโฉ่” กล่าว แอนเดรีย บอตเตออนนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งชาติในอิตาลี

ชีวิตแม่เหล็ก

ในอนาคต Lazarian ต้องการใช้ SIG หากเทคนิคนี้ยังคงอยู่ เพื่อทำแผนที่แม่เหล็กในเส้นใยระหว่างกาแลคซีโดยใช้เครือข่ายวิทยุขนาดใหญ่ของยุโรปที่เรียกว่าอาร์เรย์ความถี่ต่ำ ถ้าสนามแม่เหล็กในเส้นใยเหล่านั้นเรียงตัวกันเหมือนอยู่ในกระจุก มันอาจบ่งบอกถึงแหล่งที่มาดั้งเดิมของโครงสร้างแม่เหล็กจักรวาล แทนที่จะเกิดขึ้นอย่างช้าๆ จากสนามแม่เหล็กเมล็ดพืช การจัดเรียงดังกล่าวคงเป็นไปไม่ได้เลยที่ดาวและกาแล็กซีจะถูกสร้างขึ้นในยุคจักรวาลต่อมา Brüggen กล่าว

“ลางสังหรณ์ของฉัน” บรึกเกนกล่าว “คือเราจะพบว่าสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นตั้งแต่เนิ่นๆ ในจักรวาล”

การทำนายต้นกำเนิดของแม่เหล็กอาจบอกเราบางอย่างเกี่ยวกับความสามารถในการอยู่อาศัยของจักรวาลได้ ชีวิต (อย่างน้อยก็อย่างที่เรารู้จักบนโลก) อาศัยอำนาจแม่เหล็กและอิทธิพลของมันที่มีต่อความเป็นไคราลิตีเพื่อสร้างรากฐานแห่งชีวิต ถนัดขวาหรือซ้าย. “หากสนามแม่เหล็กก่อตัวขึ้นที่จุดเริ่มต้นของจักรวาล คุณสามารถสร้างโมเลกุลที่มีไคราลิตีได้เร็วมาก” Lazarian กล่าว จากนั้น “เราสามารถถามคำถาม [ของ] ว่าเราควรคาดหวังที่จะเห็นสัญญาณของอารยธรรมซึ่งก่อตัวขึ้นค่อนข้างเร็วในประวัติศาสตร์ของจักรวาลหรือไม่”

นอกจากนี้เขายังตั้งข้อสังเกตด้วยว่าสนามแม่เหล็กในกระจุกดาราจักรอาจเป็นแหล่งกำเนิดของกระจุกดาราจักรบางส่วนได้ รังสีคอสมิกที่มีพลังงานสูงสุด เป็นที่รู้กันว่าแผ่ซ่านไปทั่วจักรวาลซึ่งยังคงมีต้นกำเนิดลึกลับ “มีคำถามใหญ่ [เกี่ยวกับ] ว่ากระจุกกาแลคซีเหล่านี้อาจเป็นแหล่งที่มาของรังสีคอสมิกที่มีพลังงานสูงสุดหรือไม่” เขากล่าว และการทำแผนที่สนามภายในกระจุกสามารถช่วยแก้ไขปัญหานั้นได้

เป้าหมายต่อไปของทีมคือการสังเกตกระจุกกาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปและย้อนเวลากลับไป เอล กอร์โด แม้จะใหญ่โต แต่ก็ย้อนกลับไปเมื่อเอกภพมีอายุ 6.5 พันล้านปีแสง หรือประมาณครึ่งหนึ่งของอายุปัจจุบันคือ 13.8 พันล้านปี กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่กำลังจะมีขึ้นเร็วๆ นี้ เช่น Square Kilometer Array ซึ่งเป็นเสาอากาศจำนวนมหาศาลที่จะกระจายไปทั่ว 1 ล้านตารางเมตรในแอฟริกาใต้และออสเตรเลียในปลายทศวรรษนี้ อาจมีพลังมากพอที่จะใช้การทำแผนที่ประเภทนี้กับกระจุกดาวที่มีอยู่เมื่อเอกภพ มีอายุเพียง 3 พันล้านปี

“ฉันอยากเห็นสิ่งที่เกิดขึ้นในจักรวาลยุคแรก” กล่าว เยว่หูนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน เมดิสัน และเป็นผู้เขียนนำในบทความนี้

แต่ต้นกำเนิดของแม่เหล็กในจักรวาล และความหมายทั้งหมดของคำตอบนั้น จะไม่ได้รับการแก้ไขในชั่วข้ามคืนโดยใช้วิธีนี้ “มันเป็นปริศนาชิ้นหนึ่ง” บรูกเกนกล่าว “แต่มันเป็นชิ้นสำคัญมาก”