Kosmiczny magnetyzm odsłonięty: Powstała największa mapa pola magnetycznego Wszechświata

Jak ją stworzono? ASKAP i kluczowa rola rotacji Faradaya

Sercem tego osiągnięcia jest radioteleskop ASKAP (Australian Square Kilometre Array Pathfinder), należący do CSIRO i znajdujący się w Obserwatorium Radioastronomicznym Murchison w Australii Zachodniej, na terenach rdzennej ludności Wajarri Yamaji . To właśnie unikalne możliwości ASKAP umożliwiły ten przełom:

• Szerokie pole widzenia i system obrotowych czasz antenowych, pozwalające na szybkie i głębokie skanowanie olbrzymich obszarów nieba .
• Zespół wykorzystał dane z trzeciej serii obserwacji przeglądu RACS (Rapid ASKAP Continuum Survey) na niskim paśmie (RACS-low3), prowadzonego na częstotliwości centralnej 887,5 MHz . Szerokie pasmo (800–1087 MHz) i precyzyjny podział na kanały częstotliwości ASKAP są kluczowe dla pomiaru subtelnego zjawiska zwanego rotacją Faradaya .

Zasada działania jest następująca: gdy spolaryzowana liniowo fala radiowa z odległej galaktyki przelatuje przez namagnesowaną plazmę międzygwiezdną i międzygalaktyczną, jej płaszczyzna polaryzacji ulega skręceniu. Wielkość tego skrętu (właśnie miara rotacji Faradaya, RM) jest proporcjonalna do iloczynu natężenia pola magnetycznego i gęstości swobodnych elektronów wzdłuż całej linii widzenia . Mierząc RM dla każdego wykrytego źródła spolaryzowanego, naukowcy byli w stanie zrekonstruować, gdzie znajdują się pola magnetyczne i jaka jest ich relatywna siła .

W tym celu zebrano pomiary RM z prawie 4 milionów galaktyk – to zbiór danych 40 razy większy niż poprzedni stan wiedzy – i ponownie przetworzono surowe dane z ASKAP, aby odzyskać pełny obraz polaryzacji . Uzyskana gęstość źródeł RM wynosi średnio ~7 na stopień kwadratowy, co odpowiada efektywnej „rozdzielczości” siatki magnetycznej około 23 minut kątowych, z medianą błędu RM wynoszącą zaledwie 2,2 rad/m² .

Co ujawnia mapa? Kosmiczna „pajęczyna” i magnetyczne struktury

SPICE-RACS odsłoniła przed nami niewidzialną kosmiczną sieć magnetycznych struktur, obserwowaną po raz pierwszy w takiej skali i z taką szczegółowością .

• Galaktyczne włókna magnetyczne: Mapa z ogromną precyzją ukazuje uderzające, liniowe włókniste struktury RM rozciągające się w poprzek północnego i południowego bieguna Galaktyki. Przypominają one struktury obserwowane w obojętnym wodorze i pyle międzygwiazdowym .
• Wzór „zamka błyskawicznego” wzdłuż płaszczyzny Drogi Mlecznej: W pobliżu wewnętrznych rejonów naszej Galaktyki zespół odkrył quasi-periodyczny, antysymetryczny wzór RM względem płaszczyzny galaktycznej. Sugeruje to odwrócenia linii pola magnetycznego wzdłuż linii widzenia – być może powiązane z poprzeczką lub centrum Galaktyki .
• Pozostałość po supernowej G353-34: Wyraźnie rozdzielono wielki pierścień o zwiększonej rotacji Faradaya, obserwowany wcześniej jedynie w rozproszonej polaryzacji dekady temu .
• Oddziaływanie Obłoków Magellana: Mapa dostarcza kontekst magnetyczny dla interakcji między Drogą Mleczną a jej satelitami, Wielkim i Małym Obłokiem Magellana .
• Namagnesowany gaz wokółgalaktyczny we wczesnym Wszechświecie: W towarzyszącej publikacji wykorzystano dane z SPICE-RACS i przeglądu kwazarów DESI, kompilując największą w historii próbkę linii widzenia kwazarów z towarzyszącymi absorberami magnezu (Mg II). Ujawniło to obecność namagnesowanego gazu wokół odległych galaktyk, gdy Wszechświat miał około 6 miliardów lat (przesunięcie ku czerwieni z ~ 1) .

Koniec z epoką jednego zestawu danych

Profesor Naomi McClure-Griffiths, Główny Naukowiec SKAO, podkreśliła przełomowy charakter tej pracy: „Przez ostatnie 20 lat astronomowie pracowali z zasadniczo tym samym zestawem danych”, który nie obejmował nawet całego nieba południowego . SPICE-RACS radykalnie zmienia tę sytuację.

Porównanie z poprzednimi mapami wyraźnie pokazuje skalę postępu:

• Pięciokrotnie większy obszar nieba niż wszystkie wcześniejsze mapy razem wzięte .
• ~40 razy więcej źródeł (prawie 4 miliony, w porównaniu do około 100 000 w poprzednich katalogach RM) .
• Pełne pokrycie nieba południowego po raz pierwszy .
• Precyzja szerokopasmowych pomiarów RM, która eliminuje niejasności związane z tzw. złożonością Faradaya, nękające wcześniejsze, wąskopasmowe przeglądy .

Przyszłość badań kosmicznego magnetyzmu: POSSUM i SKA

SPICE-RACS jest wstępnym, choć niezwykle imponującym, produktem współpracy POSSUM (Polarisation Sky Survey of the Universe's Magnetism) . Ten międzynarodowy projekt ma trzy główne cele: (1) stworzenie gęstej siatki pomiarów RM na obszarze ~30 000 stopni kwadratowych, (2) badanie pól magnetycznych Drogi Mlecznej oraz (3) badanie zewnątrzgalaktycznych pól magnetycznych w galaktykach, gromadach i kosmicznej sieci .

W najbliższych latach, współpraca POSSUM będzie tworzyć jeszcze lepsze mapy, wykorzystując głębsze obserwacje ASKAP, dodając pokrycie w częstotliwości i czułości .
W dalszej perspektywie, gdy w tej dekadzie rozpoczną wczesne operacje teleskopy Square Kilometre Array (SKA), naukowcy będą mogli mapować pola magnetyczne kosmicznej sieci z nieskończenie większą szczegółowością . Sam ASKAP jest prekursorem technologicznym SKA, a jego lokalizacja w Australii Zachodniej jest jednocześnie miejscem budowy teleskopu SKA-Low .

Szersze znaczenie odkrycia

To osiągnięcie przekształca fundamentalny, nierozwiązany problem – pochodzenie i rolę pól magnetycznych w kosmicznej historii – z zagadnienia niemal nierozwiązywalnego w zagadnienie dostępne empirycznie. Pola magnetyczne wpływają na wzrost galaktyk, ruch materii w przestrzeni i ewolucję Wszechświata na przestrzeni miliardów lat . Nowe dane otwierają drzwi do odpowiedzi na pytania, które jeszcze niedawno wydawały się być poza zasięgiem nauki: „Kiedy we Wszechświecie pojawiły się pierwsze pola magnetyczne?” i „Jak pola magnetyczne w kosmicznej sieci wpływają na formowanie się galaktyk?” . Co więcej, wszystkie dane są swobodnie dostępne w portalu danych CSIRO, umożliwiając globalnej społeczności naukowej powtarzanie wyników i dokonywanie nowych odkryć .

Mapa SPICE-RACS to coś więcej niż tylko atlas – to nowy fundament, na którym astrofizyka będzie się opierać przez kolejne dekady.