Så skapades kartan: ASKAP och Faradayeffekten

Kartan togs fram med hjälp av CSIRO:s radioteleskop Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP) vid Murchison Radio-astronomy Observatory i Western Australia . ASKAP har ett extremt brett synfält som gör det möjligt att snabbt och djupt kartlägga himlen. Teamet använde data från den tredje epoken av Rapid ASKAP Continuum Survey (RACS-low3), vid en central frekvens på 887,5 MHz .

För att omvandla radiosignaler till en magnetisk karta utnyttjar forskarna den så kallade Faradayeffekten. När linjärt polariserade radiovågor från en avlägsen galax färdas genom magnetiserad plasma, vrider sig deras polarisationsplan. Graden av vridning – kallad Faradayrotation (RM, efter engelskans rotation measure) – är proportionell mot magnetfältets styrka och elektrontätheten längs siktlinjen .

Genom att mäta denna vridning för varje polariserad källa kan forskarna rekonstruera de magnetfält som ljuset har passerat. SPICE-RACS gjorde detta för nästan fyra miljoner galaxer, med ett medianfel i RM på endast 2,2 rad/m², och skapade ett rutnät med en effektiv upplösning på cirka 23 bågminuter .

Vad kartan avslöjar: Ett dolt kosmiskt skelett

Den resulterande kartan gör det osynliga synligt. Bland de viktigaste fynden finns:

• Galaktiska magnetiska filament: Kartan visar slående linjära, trådliknande strukturer i RM-rutnätet tvärs över de norra och södra galaktiska polerna. Dessa filament sträcker sig över hela polerna och liknar strukturer som setts i neutralt väte och interstellärt stoft, vilket tyder på ett gemensamt underliggande ramverk .
• Ett "blixtlåsliknande" mönster längs Vintergatans plan: Nära det inre av Vintergatan fann teamet ett kvasiperiodiskt, antisymmetriskt RM-mönster kring det galaktiska planet. Denna ovanliga struktur antyder riktningsskiften i det galaktiska magnetfältet, möjligen kopplade till Vintergatans centrala stav eller dess centrum .
• Magnetiserad gas vid hög rödförskjutning: En kompletterande studie kombinerade data från SPICE-RACS med DESI-katalogen över kvasarer för att undersöka magnetiserad gas i galaxers halos vid en rödförskjutning på ungefär 1. Studien visade att betydande magnetfält existerade i galaxernas utkanter redan för miljarder år sedan .
• Ett växelverkande system: Kartan ger en magnetisk kontext för interaktionen mellan Vintergatan och dess satellitgalaxer, Stora och Lilla magellanska molnet – och erbjuder ett nytt sätt att studera hur magnetfält på galaxnivå påverkar kosmiska kollisioner .

Ett språng bortom två decenniers data

För att förstå omfattningen av denna publicering måste man veta vad som fanns innan. Enligt SKAO:s chefsforskare, professor Naomi McClure-Griffiths, har forskningsfältet under de senaste 20 åren i praktiken suttit fast med samma dataset, vilket lämnade den södra stjärnhimlen helt okartlagd . SPICE-RACS representerar en förändring mätt i storleksordningar:

• Himmelstäckning: Fem gånger större än alla tidigare sådana kartor tillsammans, från den södra himmelspolen upp till en deklination på +30° .
• Källtäthet: Omkring 40 gånger fler källor än tidigare RM-kataloger – nästan fyra miljoner jämfört med cirka 100 000 .
• Datakvalitet: Den bredbandiga observationsstrategin löser upp tvetydigheter som plågade tidigare smalbandiga kartläggningar och levererar ett betydligt tydligare RM-rutnät .

Från POSSUM-samarbetet till SKA-eran

SPICE-RACS är en tidig produkt från POSSUM-samarbetet (Polarisation Sky Survey of the Universe's Magnetism), ett stort ASKAP-projekt dedikerat till att studera kosmisk magnetism . Medan SPICE-RACS ger en första inblick, siktar den formella POSSUM-kartläggningen på att producera ett RM-rutnät över ungefär 30 000 kvadratgrader med upp till en miljon källor .

ASKAP-anläggningen i Western Australia är också den framtida platsen för Square Kilometre Arrays lågfrekventa teleskop (SKA-Low). När SKA inleder sin verksamhet senare under detta decennium kommer kosmisk magnetism – ett av SKA:s fem nyckelprojekt – att studeras med en känslighet och upplösning som får ASKAP att framstå som en försmak . Observationer vid högre frekvenser (1–10 GHz) kommer att spåra magnetfält i skivorna och de centrala delarna av avlägsna galaxer i oöverträffad detalj .

Varför kosmisk magnetism är viktigt

Magnetfält är en fundamental kraft i universum, men deras ursprung och storskaliga roll förblir ett av astrofysikens stora olösta problem. De påverkar hur galaxer växer, hur materia flödar genom rymden och hur universum utvecklats under miljarder år .

Under decennier har stora frågor – ”När uppstod de första magnetfälten?” eller ”Hur formar fälten i den kosmiska väven galaxbildningen?” – verkat nästan omöjliga att besvara empiriskt . SPICE-RACS gör dem till hanterbara forskningsfrågor. Datan, som är fritt tillgänglig via CSIRO:s dataportal, ger det globala forskarsamhället en ny grund för att studera det magnetiserade universum .

Genom att kartlägga detta osynliga skelett markerar kartan slutet på en 20-årig datatorka och början på en era där det magnetiska universum äntligen träder fram i ljuset.

Så skapades kartan: ASKAP och Faradayeffekten

Kartan togs fram med hjälp av CSIRO:s radioteleskop Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP) vid Murchison Radio-astronomy Observatory i Western Australia . ASKAP har ett extremt brett synfält som gör det möjligt att snabbt och djupt kartlägga himlen. Teamet använde data från den tredje epoken av Rapid ASKAP Continuum Survey (RACS-low3), vid en central frekvens på 887,5 MHz .

För att omvandla radiosignaler till en magnetisk karta utnyttjar forskarna den så kallade Faradayeffekten. När linjärt polariserade radiovågor från en avlägsen galax färdas genom magnetiserad plasma, vrider sig deras polarisationsplan. Graden av vridning – kallad Faradayrotation (RM, efter engelskans rotation measure) – är proportionell mot magnetfältets styrka och elektrontätheten längs siktlinjen .

Genom att mäta denna vridning för varje polariserad källa kan forskarna rekonstruera de magnetfält som ljuset har passerat. SPICE-RACS gjorde detta för nästan fyra miljoner galaxer, med ett medianfel i RM på endast 2,2 rad/m², och skapade ett rutnät med en effektiv upplösning på cirka 23 bågminuter .

Vad kartan avslöjar: Ett dolt kosmiskt skelett

Den resulterande kartan gör det osynliga synligt. Bland de viktigaste fynden finns:

• Galaktiska magnetiska filament: Kartan visar slående linjära, trådliknande strukturer i RM-rutnätet tvärs över de norra och södra galaktiska polerna. Dessa filament sträcker sig över hela polerna och liknar strukturer som setts i neutralt väte och interstellärt stoft, vilket tyder på ett gemensamt underliggande ramverk .
• Ett "blixtlåsliknande" mönster längs Vintergatans plan: Nära det inre av Vintergatan fann teamet ett kvasiperiodiskt, antisymmetriskt RM-mönster kring det galaktiska planet. Denna ovanliga struktur antyder riktningsskiften i det galaktiska magnetfältet, möjligen kopplade till Vintergatans centrala stav eller dess centrum .
• Magnetiserad gas vid hög rödförskjutning: En kompletterande studie kombinerade data från SPICE-RACS med DESI-katalogen över kvasarer för att undersöka magnetiserad gas i galaxers halos vid en rödförskjutning på ungefär 1. Studien visade att betydande magnetfält existerade i galaxernas utkanter redan för miljarder år sedan .
• Ett växelverkande system: Kartan ger en magnetisk kontext för interaktionen mellan Vintergatan och dess satellitgalaxer, Stora och Lilla magellanska molnet – och erbjuder ett nytt sätt att studera hur magnetfält på galaxnivå påverkar kosmiska kollisioner .

Ett språng bortom två decenniers data

För att förstå omfattningen av denna publicering måste man veta vad som fanns innan. Enligt SKAO:s chefsforskare, professor Naomi McClure-Griffiths, har forskningsfältet under de senaste 20 åren i praktiken suttit fast med samma dataset, vilket lämnade den södra stjärnhimlen helt okartlagd . SPICE-RACS representerar en förändring mätt i storleksordningar:

• Himmelstäckning: Fem gånger större än alla tidigare sådana kartor tillsammans, från den södra himmelspolen upp till en deklination på +30° .
• Källtäthet: Omkring 40 gånger fler källor än tidigare RM-kataloger – nästan fyra miljoner jämfört med cirka 100 000 .
• Datakvalitet: Den bredbandiga observationsstrategin löser upp tvetydigheter som plågade tidigare smalbandiga kartläggningar och levererar ett betydligt tydligare RM-rutnät .

Från POSSUM-samarbetet till SKA-eran

SPICE-RACS är en tidig produkt från POSSUM-samarbetet (Polarisation Sky Survey of the Universe's Magnetism), ett stort ASKAP-projekt dedikerat till att studera kosmisk magnetism . Medan SPICE-RACS ger en första inblick, siktar den formella POSSUM-kartläggningen på att producera ett RM-rutnät över ungefär 30 000 kvadratgrader med upp till en miljon källor .

ASKAP-anläggningen i Western Australia är också den framtida platsen för Square Kilometre Arrays lågfrekventa teleskop (SKA-Low). När SKA inleder sin verksamhet senare under detta decennium kommer kosmisk magnetism – ett av SKA:s fem nyckelprojekt – att studeras med en känslighet och upplösning som får ASKAP att framstå som en försmak . Observationer vid högre frekvenser (1–10 GHz) kommer att spåra magnetfält i skivorna och de centrala delarna av avlägsna galaxer i oöverträffad detalj .

Varför kosmisk magnetism är viktigt

Magnetfält är en fundamental kraft i universum, men deras ursprung och storskaliga roll förblir ett av astrofysikens stora olösta problem. De påverkar hur galaxer växer, hur materia flödar genom rymden och hur universum utvecklats under miljarder år .

Under decennier har stora frågor – ”När uppstod de första magnetfälten?” eller ”Hur formar fälten i den kosmiska väven galaxbildningen?” – verkat nästan omöjliga att besvara empiriskt . SPICE-RACS gör dem till hanterbara forskningsfrågor. Datan, som är fritt tillgänglig via CSIRO:s dataportal, ger det globala forskarsamhället en ny grund för att studera det magnetiserade universum .

Genom att kartlägga detta osynliga skelett markerar kartan slutet på en 20-årig datatorka och början på en era där det magnetiska universum äntligen träder fram i ljuset.