Bản đồ từ trường vũ trụ lớn nhất lịch sử được công bố: 'Mạng lưới vô hình' kết nối các thiên hà lần đầu hiện diện

Dự án do Tiến sĩ Alec Thomson (Nhà khoa học ủy thác của SKAO) dẫn đầu, và bài báo khoa học mô tả công trình này đã được chấp nhận đăng trên tạp chí Publications of the Astronomical Society of Australia .

Bí mật đằng sau bức ảnh: ASKAP và hiệu ứng Faraday Rotation

Để tạo ra bản đồ này, các nhà khoa học không dùng kính quang học thông thường. Họ sử dụng kính thiên văn vô tuyến ASKAP (Australian Square Kilometre Array Pathfinder) của CSIRO, đặt tại Đài quan sát Vô tuyến Murchison (Inyarrimanha Ilgari Bundara) ở vùng đất của người Wajarri Yamaji, Tây Úc . Nơi đây là một trong những khu vực 'yên tĩnh' nhất hành tinh về sóng vô tuyến, cho phép ASKAP lắng nghe những lời thì thầm yếu ớt nhất từ vũ trụ xa xôi.

Vậy ASKAP đã chụp được thứ chúng ta không thể nhìn thấy bằng cách nào? Câu trả lời nằm ở một hiệu ứng vật lý có tên là Faraday Rotation (Độ quay Faraday) .

Hãy hình dung như thế này: Khi ánh sáng phân cực (ánh sáng có hướng dao động nhất định) từ một thiên hà xa xôi du hành xuyên qua không gian liên thiên hà, nó sẽ đi qua những đám mây plasma (khí ion hóa) bị từ hóa. Từ trường trong đám mây này hoạt động như một 'tấm kính xoay', làm mặt phẳng phân cực của sóng vô tuyến bị xoắn lại . Góc xoắn tỉ lệ thuận với tích của cường độ từ trường và mật độ electron trên toàn bộ đường đi của tia sáng. Đại lượng này được gọi là Rotation Measure (RM) – tạm dịch là 'thước đo độ quay' .

Bằng cách đo lường RM cho hàng triệu nguồn phát sóng vô tuyến nằm rải rác khắp bầu trời, các nhà khoa học có thể dựng lại bản đồ về vị trí và cường độ tương đối của từ trường trên đường ngắm đến Trái Đất .

ASKAP sở hữu ba 'vũ khí tối thượng' khiến nó trở nên khác biệt so với các thế hệ kính thiên văn trước :

1. Trường nhìn siêu rộng: Có thể quét một vùng trời rộng lớn chỉ trong một lần quan sát.
2. Hệ thống xoay chảo thu độc đáo: Cho phép thu thập dữ liệu nhanh chóng ở độ sâu chưa từng có.
3. Băng thông cực rộng (800–1087 MHz) và khả năng phân kênh chi tiết: Đây là chìa khóa để giải mã hiệu ứng Faraday một cách chính xác, điều mà các khảo sát băng hẹp trước đây gặp nhiều khó khăn .

Dữ liệu đầu vào cho SPICE-RACS là kết quả từ RACS-low3 (đợt quan sát tần số thấp thứ ba của Khảo sát Nhanh Liên tục ASKAP), tiến hành ở tần số trung tâm 887.5 MHz . Nhóm nghiên cứu đã xử lý lại toàn bộ dữ liệu thô, truy xuất bức tranh phân cực hoàn chỉnh của hầu hết mọi thiên hà mà RACS phát hiện được .

'Mạng lưới vũ trụ vô hình' hiện hình: Những phát hiện đột phá

Điều khiến cộng đồng thiên văn học phấn khích không chỉ là lượng dữ liệu khổng lồ, mà là những cấu trúc chưa từng thấy mà SPICE-RACS đã tiết lộ . Bản đồ đạt mật độ nguồn RM trung bình khoảng 7 nguồn trên mỗi độ vuông, tương đương với 'độ phân giải' khoảng 23 phút cung cho lưới RM, với sai số trung vị RM cực nhỏ, chỉ 2.2 rad/m² .

• Sợi từ trường khổng lồ: Điểm gây ấn tượng mạnh nhất là sự xuất hiện của những cấu trúc sợi từ tính kéo dài qua các vùng cực Bắc và Nam của Dải Ngân hà. Một số sợi trải dài trọn vẹn qua các vùng cực này, trông giống hệt các cấu trúc từng được quan sát thấy trong các cuộc khảo sát hydro trung tính và bụi liên sao .
• Mô hình 'zipper' bí ẩn: Dọc theo mặt phẳng của Dải Ngân hà (kinh độ 60°–270°), các nhà khoa học phát hiện ra một mô hình RM tuần hoàn kỳ lạ với tính phản đối xứng qua mặt phẳng thiên hà. Điều này gợi ý về sự đảo chiều của từ trường dọc theo tầm nhìn, có thể liên quan đến thanh chắn hoặc trung tâm thiên hà .
• Tàn tích siêu tân tinh G353-34: Một vòng tròn khổng lồ với chỉ số RM dương cao bất thường, trước đây chỉ được thấy lờ mờ trong phân cực khuếch tán, nay được tái hiện rõ nét một cách ngoạn mục .
• Vũ điệu của các đám mây Magellan: Bản đồ còn cung cấp bối cảnh từ tính cho sự tương tác giữa Dải Ngân hà và hai thiên hà vệ tinh láng giềng là Đám Mây Magellan Lớn và Nhỏ .
• Từ trường trong môi trường liên thiên hà ở thời kỳ sơ khai: Một nghiên cứu đồng hành sử dụng dữ liệu từ SPICE-RACS kết hợp với dữ liệu chuẩn tinh (quasar) từ DESI đã phát hiện ra khí liên thiên hà bị từ hóa xung quanh các thiên hà ở dịch chuyển đỏ z ~ 1, tức là thời điểm vũ trụ mới khoảng 6 tỉ năm tuổi .

Cuộc cách mạng sau hai thập kỷ giậm chân tại chỗ

Sự khác biệt giữa SPICE-RACS và 'thời kỳ đồ đá' của nghiên cứu từ trường vũ trụ là một trời một vực :

• Độ phủ bầu trời: Lớn gấp 5 lần tất cả các bản đồ trước cộng lại, lần đầu tiên bao phủ toàn bộ bầu trời phía Nam (từ Nam thiên cực đến xích vĩ +30°) .
• Lượng dữ liệu: Gần 4 triệu nguồn RM so với khoảng 100.000 nguồn trong các danh mục cũ – tăng gấp 40 lần .
• Độ chính xác: Kỹ thuật RM băng rộng đã giải quyết được những nhập nhằng về độ phức tạp Faraday từng là vấn đề nan giải của các khảo sát băng hẹp trước đây .

“Đây là lần đầu tiên chúng ta có thể khảo sát chi tiết cấu trúc của môi trường liên sao ở quy mô lớn như vậy, đồng thời nghiên cứu một cách có hệ thống hàng triệu thiên hà xa xôi,” Tiến sĩ Alec Thomson nhấn mạnh .

Từ POSSUM đến SKA: Tương lai của ngành khảo cổ học từ tính

SPICE-RACS thực chất chỉ là sản phẩm khởi đầu của một dự án tham vọng hơn nhiều mang tên POSSUM (Polarisation Sky Survey of the Universe's Magnetism) – một nhóm quốc tế sử dụng ASKAP để giải mã bí ẩn của từ trường vũ trụ . POSSUM đặt ra ba mục tiêu chính: xây dựng lưới RM toàn diện trên ~30.000 độ vuông, nghiên cứu từ trường của Dải Ngân hà, và khảo sát từ trường ngoài thiên hà trong các thiên hà, cụm thiên hà và mạng lưới vũ trụ .

Trong ngắn hạn, nhóm POSSUM sẽ tiếp tục cho ra đời những bản đồ còn ấn tượng hơn nữa bằng các đợt quan sát ASKAP sâu hơn, bổ sung thêm dải tần số và độ nhạy .

Trong dài hạn, tương lai của lĩnh vực này thuộc về Kính thiên văn Mảng Kilômét Vuông (SKA) – siêu dự án kính viễn vọng vô tuyến lớn nhất thế giới. Những chiếc kính SKA đầu tiên dự kiến sẽ bắt đầu hoạt động vào cuối thập kỷ này. Với độ nhạy khủng khiếp ở dải tần 1–10 GHz, SKA sẽ giúp các nhà thiên văn vẽ bản đồ từ trường của mạng lưới vũ trụ với chi tiết chưa từng có tiền lệ . Từ trường vũ trụ chính là một trong năm 'Dự án Khoa học Trọng điểm' của SKA . Điều thú vị là bản thân ASKAP chính là tiền thân trực tiếp của SKA, và địa điểm của nó ở Tây Úc cũng chính là nơi đang xây dựng kính thiên văn SKA-Low .

Câu hỏi lớn của vũ trụ học lần đầu có lời giải

Khám phá này không chỉ là một kỳ tích kỹ thuật. Nó biến một câu hỏi tưởng chừng bất khả thi thành một bài toán có thể giải được :
“Từ trường đầu tiên xuất hiện khi nào trong vũ trụ?”
“Từ trường trong mạng lưới vũ trụ ảnh hưởng đến sự hình thành thiên hà ra sao?”

Từ trường, dù vô hình, nhưng đóng vai trò như một kiến trúc sư thầm lặng của vũ trụ. Chúng ảnh hưởng đến cách thiên hà phát triển, cách vật chất di chuyển trong không gian và cách vũ trụ tiến hóa qua hàng tỉ năm . Dữ liệu từ SPICE-RACS sẽ giúp chúng ta hiểu được những tương tác từ tính ở quy mô thiên hà, như cuộc 'giằng co' giữa Dải Ngân hà và các Đám Mây Magellan, hay cách khí liên thiên hà bị từ hóa điều tiết quá trình hình thành sao .

Để thúc đẩy những khám phá tiếp theo, toàn bộ dữ liệu của SPICE-RACS được cung cấp miễn phí thông qua cổng truy cập dữ liệu của CSIRO . Thế giới khoa học giờ đây đã có trong tay một 'tập bản đồ' mới để cùng nhau giải mã những bí ẩn của vũ trụ từ tính.