เผยโฉมแผนที่แม่เหล็กจักรวาลครั้งประวัติศาสตร์ ข้อมูลกว่า 4 ล้านกาแล็กซี ใหญ่กว่าเดิม 5 เท่า

วิธีการทำงานมีดังนี้: เมื่อคลื่นวิทยุที่โพลาไรซ์เชิงเส้นจากกาแล็กซีไกลโพ้นเดินทางผ่านกลุ่มแก๊สที่มีสนามแม่เหล็กคั่นกลาง ระนาบการโพลาไรซ์จะหมุนไปเป็นปริมาณที่แปรผันตรงกับผลคูณของ ความเข้มสนามแม่เหล็ก กับ ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนอิสระ ตลอดแนวการมองเห็น ปริมาณนี้เรียกว่า ค่าการหมุนของฟาราเดย์ (Faraday rotation measure - RM) ด้วยการวัดค่า RM ของแหล่งกำเนิดโพลาไรซ์ทุกแห่งที่ตรวจจับได้ ทีมวิจัยสามารถสร้างภาพขึ้นมาใหม่ได้ว่าสนามแม่เหล็กอยู่ที่ไหน และมีความเข้มสัมพัทธ์ในแนวการมองเห็นเท่าใด พวกเขาเก็บรวบรวมค่า RM จาก กาแล็กซีเกือบ 4 ล้านแห่ง ซึ่งเป็นชุดข้อมูลที่ใหญ่กว่าสถิติเดิมถึง 40 เท่า และได้ประมวลผลข้อมูลดิบจาก ASKAP ใหม่ เพื่อดึงภาพโพลาไรซ์ที่สมบูรณ์ออกมา

การค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญ

แผนที่นี้เผยให้เห็น ใยจักรวาลของโครงสร้างแม่เหล็กที่มองไม่เห็น (invisible cosmic web of magnetic structures) ซึ่งไม่เคยมีใครเห็นในระดับและรายละเอียดเช่นนี้มาก่อน :

• เส้นใยแม่เหล็กของกาแล็กซี: แผนที่เผยให้เห็นโครงสร้างค่า RM ที่มีลักษณะเป็นเส้นใยเชิงเส้น (linear filamentary) อย่างโดดเด่นพาดผ่านทั้งขั้วกาแล็กซีเหนือและใต้ ซึ่งหลายเส้นทอดตัวยาวจนสุดแนวขั้ว โครงสร้างเหล่านี้คล้ายกับสิ่งที่เห็นในตัวตามรอย (tracers) ของไฮโดรเจนที่เป็นกลางและฝุ่นระหว่างดวงดาว
• รูปแบบค่า RM คล้าย 'ซิป' ตามระนาบกาแล็กซี: ใกล้กับบริเวณใจกลางทางช้างเผือก (ที่ลองจิจูด 60°–270°) ทีมวิจัยพบรูปแบบค่า RM ที่มีลักษณะกึ่งคาบ (quasi-periodic) พร้อมกับความไม่สมมาตรแบบตรงข้าม (antisymmetry) เมื่อเทียบกับระนาบกาแล็กซี ซึ่งบ่งชี้ถึงการกลับทิศของสนามแม่เหล็กกาแล็กซีตามแนวการมองเห็น ซึ่งอาจเป็นลักษณะเฉพาะของบาร์หรือใจกลางกาแล็กซี
• ลักษณะคล้ายวงแหวนของซากซูเปอร์โนวา G353-34: วงแหวนขนาดใหญ่ที่มีค่า RM เชิงบวกเพิ่มขึ้น ซึ่งเคยพบเห็นครั้งแรกในโพลาไรเซชันแบบกระจายเมื่อหลายสิบปีก่อน บัดนี้ได้รับการเผยให้เห็นอย่างชัดเจน
• อันตรกิริยากับเมฆแมกเจลแลน: แผนที่นี้ให้บริบทของสนามแม่เหล็กสำหรับอันตรกิริยาระหว่างทางช้างเผือกกับเพื่อนบ้านของมัน นั่นคือ เมฆแมกเจลแลนใหญ่และเล็ก (Large and Small Magellanic Clouds)
• แก๊สรอบกาแล็กซีที่มีสนามแม่เหล็ก ณ ยุคเรดชิฟต์สูง: ในรายงานวิจัยร่วมที่ใช้ข้อมูล SPICE-RACS DR2 และข้อมูลเควซาร์จาก DESI DR1 นักวิจัยได้รวบรวมตัวอย่างแนวการมองเห็นเควซาร์ที่มีค่า RM เกี่ยวข้องมากที่สุดเท่าที่เคยมีมา ซึ่งรวมถึง 612 แนวที่มีตัวดูดกลืน Mg II แทรกอยู่ เผยให้เห็นแก๊สที่มีสนามแม่เหล็กรอบกาแล็กซี ณ ยุคเรดชิฟต์ประมาณ z ~ 1

ชุดข้อมูลนี้มีความหนาแน่นของแหล่งกำเนิดค่า RM โดยเฉลี่ยที่ ~7 แหล่งต่อตารางองศา ซึ่งเทียบเท่ากับ 'ความละเอียด' ยังผล (effective resolution) ประมาณ 23 ลิปดา สำหรับกริด RM โดยมีค่าคลาดเคลื่อนของ RM มัธยฐานเพียง 2.2 rad/m²

การเปรียบเทียบกับความพยายามในอดีตตลอดสองทศวรรษ

ศาสตราจารย์นาโอมิ แม็คลัวร์-กริฟฟิธส์ (Professor Naomi McClure-Griffiths) หัวหน้านักวิทยาศาสตร์ของ SKAO กล่าวว่า ตลอด 20 ปีที่ผ่านมา นักดาราศาสตร์ทำงานกับชุดข้อมูลเดิมเป็นหลัก ซึ่งไม่ได้ครอบคลุมท้องฟ้าทางใต้เลยด้วยซ้ำ SPICE-RACS DR2 ถือเป็นการก้าวกระโดดในทุกมิติ:

• ครอบคลุมพื้นที่ท้องฟ้ามากกว่า ห้าเท่า ของแผนที่แม่เหล็กก่อนหน้าทั้งหมดรวมกัน
• มีจำนวนแหล่งกำเนิดมากกว่าเดิม ประมาณ 40 เท่า (เกือบ 4 ล้านแหล่ง เทียบกับประมาณ 100,000 แหล่งในแค็ตตาล็อก RM ก่อนหน้า)
• ครอบคลุมท้องฟ้าทางใต้ทั้งหมด เป็นครั้งแรก จากขั้วฟ้าใต้ไปจนถึงเดคลิเนชัน +30°
• ความแม่นยำของ RM แบบบรอดแบนด์ที่ช่วยขจัดความคลุมเครือเรื่องความซับซ้อนของฟาราเดย์ ซึ่งเป็นปัญหาในการสำรวจแบบแนร์โรว์แบนด์ยุคก่อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

แผนในอนาคต: ความร่วมมือ POSSUM, ASKAP, และ SKA

SPICE-RACS เป็นผลิตภัณฑ์เริ่มต้นของ ความร่วมมือการสำรวจโพลาไรเซชันของสนามแม่เหล็กแห่งเอกภพ (Polarisation Sky Survey of the Universe's Magnetism - POSSUM) ซึ่งเป็นทีมนานาชาติที่ใช้ ASKAP เพื่อศึกษาแม่เหล็กจักรวาล POSSUM มีวัตถุประสงค์หลักสามประการ: (1) สร้างกริด RM ที่ครอบคลุมทั่วพื้นที่ประมาณ 30,000 ตารางองศา (2) ศึกษาสนามแม่เหล็กของทางช้างเผือก และ (3) ตรวจสอบสนามแม่เหล็กนอกกาแล็กซีในกาแล็กซีอื่นๆ กระจุกกาแล็กซี และใยจักรวาล

ระยะใกล้ (ASKAP): ความร่วมมือ POSSUM จะผลิตแผนที่ที่ดียิ่งขึ้นต่อไปในช่วงไม่กี่ปีข้างหน้า โดยใช้ข้อมูลการสังเกตการณ์ที่ลึกขึ้นจาก ASKAP เพิ่มช่วงความถี่และความไวในการรับสัญญาณ

ระยะยาว (SKA): เมื่อกล้องโทรทรรศน์ Square Kilometre Array (SKA) เริ่มปฏิบัติการในช่วงแรกภายในปลายทศวรรษนี้ พวกมันจะช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถสร้างแผนภูมิสนามแม่เหล็กของใยจักรวาลได้ในรายละเอียดที่ละเอียดยิ่งกว่ามาก แม่เหล็กจักรวาลเป็นหนึ่งในห้าโครงการวิทยาศาสตร์หลักของ SKA (SKA Key Science Projects) และความไวของ SKA ที่ 1–10 GHz จะช่วยตามรอยสนามแม่เหล็กในจานดาราจักร บริเวณใจกลาง และซากในกระจุกดาราจักรด้วยความละเอียดที่ไม่เคยมีมาก่อน ตัว ASKAP เองก็เป็นตัวตั้งต้นโดยตรง (precursor) ของ SKA และสถานที่ตั้งในรัฐเวสเทิร์นออสเตรเลียก็เป็นสถานที่เดียวกับที่กำลังก่อสร้าง SKA-Low (กล้องโทรทรรศน์ SKA ความถี่ต่ำ)

ความสำคัญในวงกว้าง

งานชิ้นนี้ได้เปลี่ยนปัญหาพื้นฐานที่ยังไม่มีคำตอบ นั่นคือต้นกำเนิดและบทบาทของสนามแม่เหล็กตลอดประวัติศาสตร์จักรวาล จากสิ่งที่ดูเหมือนยากจะเข้าถึง กลายเป็นสิ่งที่สามารถศึกษาได้ด้วยข้อมูลเชิงประจักษ์:

• สนามแม่เหล็กมีอิทธิพลต่อ วิวัฒนาการของกาแล็กซี การเคลื่อนที่ของสสารในอวกาศ และวิวัฒนาการของเอกภพในช่วงหลายพันล้านปี
• ข้อมูลใหม่นี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาได้ว่า สนามแม่เหล็กระดับกาแล็กซีส่งผลต่ออันตรกิริยาอย่างไร ตัวอย่างเช่น อันตรกิริยาของทางช้างเผือกกับเมฆแมกเจลแลน
• มันเปิดประตูสู่การตอบคำถามที่มีมาอย่างยาวนาน: 'สนามแม่เหล็กปรากฏขึ้นครั้งแรกในเอกภพเมื่อใด?' และ 'สนามแม่เหล็กในใยจักรวาลส่งผลต่อการก่อตัวของกาแล็กซีอย่างไร?' — คำถามที่ศาสตราจารย์แม็คลัวร์-กริฟฟิธส์เคยคิดว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะหาคำตอบ
• งานวิจัยร่วมกำลังใช้ข้อมูลนี้เพื่อตรวจสอบ แก๊สรอบกาแล็กซีที่มีสนามแม่เหล็ก ณ ยุค z ~ 1 ซึ่งเชื่อมโยงสนามแม่เหล็กเข้ากับวัฏจักรของแก๊สที่ควบคุมการก่อตัวของดาวฤกษ์
• ข้อมูลทั้งหมด เปิดให้เข้าถึงได้ฟรีผ่านพอร์ทัลข้อมูลของ CSIRO ทำให้นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกสามารถทำซ้ำผลการทดลองและค้นพบสิ่งใหม่ๆ ได้

พูดโดยสรุป SPICE-RACS นับเป็นจุดเริ่มต้นของยุคสมัยใหม่แห่งการสังเกตการณ์สำหรับแม่เหล็กจักรวาล — เป็นการเปลี่ยนจากการพึ่งพาชุดข้อมูลชุดเดียวที่ไม่สมบูรณ์มาตลอด 20 ปี ไปสู่กริด RM ที่อุดมสมบูรณ์ ครอบคลุมทั่วท้องฟ้า และมีความหนาแน่นสูง ซึ่งจะเป็นรากฐานให้กับฟิสิกส์ดาราศาสตร์ต่อไปอีกหลายทศวรรษ