射电图可能揭示宇宙最大的磁场广达杂志

通过绘制隐藏在巨大星系团内的磁场图，天文学家距离找到宇宙磁力的起源又近了一步。

“这是第一张以前所未有的大比例绘制磁场详细结构的地图，”说 亚历山大·拉扎里安是威斯康星大学麦迪逊分校的天文学家，也是描述这些地图的论文的合著者， 今天发表于 自然通讯.

拉扎里安和他的同事研究了五个星系团，每个星系团跨越数百万光年。他们使用他设计的同步加速器强度梯度（SIG）绘图技术绘制了地图，该技术依靠无线电观测来计算出星团的磁场指向给定位置的方向。研究人员表示，通过在整个星团中应用相同的技术，他们可以构建完整的磁场图。如果结果得到证实，将表明巨型结构中存在以前未被检测到的磁场秩序。

磁力在宇宙中无处不在。我们看到它从地球上最小的尺度到宇宙最大的尺度，它塑造了恒星和星际介质等宇宙结构。正如我们所知，磁性对于生命也至关重要，它在分子水平上影响手性，并形成包围地球的保护罩。但一个悬而未决的大问题是 宇宙磁力起源的地方。一些科学家赞成一种原始的解释，认为磁力是在大爆炸后的最初时刻与其他基本力一起产生的。其他人则倾向于晚一些出现，磁力在数亿年后产生，并从恒星和星系等物体产生的种子磁场中生长出来。

这种新的绘图技术可能会提供一种解决方案，让天文学家能够在最大尺度上比较磁场。但该技术有其自身的局限性，并且在大尺度磁学领域仍然存在一些争议。

“如果它有效，它将为你提供一种在观测上非常便宜的方法来绘制大片天空区域的磁场，”说 凯特·帕特尔，伦敦大学学院的天体物理学家。

宇宙制图

科学家通常通过研究同步加速器辐射来发现宇宙磁场—— 无线电发射 当磁场弯曲电子以接近光速的速度传播时产生的。此类观测还可以利用这些无线电发射的方向（它们的极化）来揭示磁场的方向。但偏振测量非常耗时，并且在星系团中更密集、灰尘更多的区域效果最好。

大约七年前，拉扎里安 想出了一个办法 单独使用同步加速器发射来揭示磁场方向——无需极化。该技术利用对当你在太空中移动时无线电发射强度变化的观察，或者研究人员称之为梯度。

“亮度梯度，即图像变得更暗或更亮的方向，与磁场有关，”说 马库斯·布吕根德国汉堡大学天体物理学教授 先前研究过大磁场.

拉扎里安说，在对星际空间的初步观测中，“我们[观察]的每个地方都揭示了这种磁场结构。”

研究小组随后转向星系团，这些星系团随着较小的星系团碰撞而增长。布吕根说，当这些合并发生时，它们会产生“穿过[簇内]介质”的冲击锋。当磁场与那些湍流激波前沿相互作用时，它们会产生同步加速器发射。通过观察发射的梯度，研究人员可以推断出磁场的方向，这反过来又反映了随着时间的推移形成这些星团的合并。

该方法使拉扎里安能够测量整个巨大星系团的磁场，包括无法进行偏振测量的结构内的弥漫星系际空间。为了制作地图，该团队瞄准了五个星系团，其中包括埃尔戈多星系团——这是一个经过充分研究的由数百个星系组成的星系团，绵延 6 万光年。他们还观察了距离我们 2345 亿光年的阿贝尔 2、距离我们大约 3376 亿光年的阿贝尔 XNUMX 以及另外两个。

然而，并非所有科学家都相信该策略能够准确跟踪磁场的运动。看起来像磁驱动同步加速器梯度的变化可能只是电子或气体密度的变化。该方法还依赖于星系团中一种被称为湍流的现象，其中磁场扭曲并一起转动——“这是一个众所周知的复杂物理过程，”说 安德里亚·博顿，意大利国家天体物理研究所的天体物理学家。

磁力生命

未来，拉扎里安希望利用 SIG（如果该技术可行）利用一个名为低频阵列的庞大欧洲无线电网络来绘制星系之间细丝的磁性图。如果这些细丝中的磁场彼此对齐，就像它们处于簇中一样，则可能表明宇宙磁结构的原始来源，而不是从种子磁场中缓慢出现。布吕根说，在后来的宇宙时代中，恒星和星系“基本上不可能”形成这样的排列。

“我的预感，”布吕根说，“我们会发现磁场是在宇宙早期产生的。”

推测磁力的起源可能会告诉我们一些有关宇宙宜居性的信息。生命本身（至少是我们在地球上所知道的）依靠磁性及其对手性的影响来赋予生命的组成部分 惯用右手或左手。拉扎里安说：“如果磁场在宇宙诞生之初就形成了，那么你就可以很早就形成具有手性的分子。”然后，“我们可以问这样一个问题：我们是否应该期望看到在宇宙历史早期形成的文明信号。”

他还指出，星系团中的磁场可能是某些现象的来源。 最高能量的宇宙射线 已知遍布宇宙，但其起源仍然神秘。 “关于这些星系团是否可能是最高能量宇宙射线的来源，存在一个大问题，”他说，绘制星系团内的场可以帮助解决这个问题。

该团队的下一个目标是观测距离更远、时间更早的星系团。埃尔戈多虽然巨大，但其历史只能追溯到宇宙 6.5 亿光年的时候，大约是目前 13.8 亿年年龄的一半。即将推出的射电望远镜，例如平方公里阵列，这是一个巨大的天线阵列，将在本十年晚些时候分布在南非和澳大利亚的 1 万平方米上，其功能可能足以将这种类型的映射应用于宇宙诞生时就存在的星团。当时只有3亿年历史。

“我想看看早期宇宙发生了什么，”说 岳虎是威斯康星大学麦迪逊分校的研究生，也是该论文的主要作者。

但宇宙中磁性的起源，以及该答案的所有含义，不会用这种方法一夜之间得到解决。 “这只是拼图的一小部分，”布吕根说。 “但这是一个非常重要的作品。”