Teknik trækker interstellare magnetfelter inden for rækkevidde

En ny, mere tilgængelig og meget billigere tilgang til at undersøge topologien og styrken af ​​interstellare magnetfelter - som væver sig gennem rummet i vores galakse og videre, repræsenterer en af ​​de mest potente kræfter i naturen - er blevet udviklet af forskere ved University of Wisconsin-Madison.

Sammen med tyngdekraften, magnetiske felter spiller en stor rolle i mange af de astrofysiske processer – fra stjernedannelse til at omrøre de massive støv- og gasskyer, der gennemsyrer det interstellare rum – som understøtter stjernernes struktur og sammensætning, planeter og galakser. På den galaktiske skala, magnetiske felter dominerer accelerationen og udbredelsen af ​​kosmiske stråler, og spiller en vigtig rolle i overførsel af varme og polariseret stråling.

Hvad mere er, den polariserede stråling, der opstår fra galaktiske magnetfelter, overstiger med størrelsesordener den fra den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), relikviestrålingen fra universets første øjeblikke. Den næste milepæl i forståelsen af ​​universets oprindelse, nogle videnskabsmænd mener, kræver måling af CMB's polariserede stråling. Vigtigt, at optrevle topologien af ​​de mellemliggende magnetiske felter mellem Jorden og CMB vil være et nødvendigt skridt for pålideligt at opnå disse data.

Men på trods af deres betydning og gennemgribende indflydelse, interstellare magnetfelter repræsenterer en af ​​astrofysikkens sidste grænser. Man ved lidt om dem, for en stor del, fordi de er ekstremt svære at studere.

"Der er meget begrænsede måder at studere magnetiske felter i rummet på, " forklarer Alexandre Lazarian, en UW-Madison professor i astronomi og en autoritet inden for det interstellare medium, de tilsyneladende tomme rum mellem stjernerne, der er, faktisk, rig på stof og træk snoede, foldede og sammenfiltrede magnetiske felter sammensat af helt eller delvist ioniserede plasmaer medtaget på magnetiske felter. "Vores forståelse af alle disse (astrofysiske) processer lider under vores dårlige viden om magnetiske felter."

Nu, meget af den viden kan være lettere ved hånden. Skriver i denne uge (10. juni, 2019) i bladet Natur astronomi , et internationalt hold ledet af Wisconsin-astrofysikeren demonstrerer en ny metode, der er i stand til at spore orienteringen af ​​magnetiske felter i hvirvelen i det interstellare rum.

Bevis-of-concept rapporteret i Natur astronomi bygger på en række teoretiske og numeriske undersøgelser offentliggjort i løbet af de sidste to år af Lazarian og hans elever, og som udstikker en radikal ny tilgang til kortlægning af virvaren af ​​magnetiske felter i rummet.

Indtil nu, meget af den detaljerede kortlægning af magnetiske felter i diffuse miljøer såsom skyer af støv og gas i rummet involverede infrarød polarimetri med instrumenter indsat enten på satellitter eller balloner fløjet højt i stratosfæren.

Den nye metode, kendt som Velocity Gradient Technique og uformelt som "Wisconsin-teknikken, "bruger tidligere indsamlede observationsdata fra en række jordbaserede teleskoper, overskrider behovet for at placere instrumenter i rummet, en kostbar og begrænset ressource for astronomer. Bygger på undersøgelser af turbulens i magnetiske felter i ledende væsker, Lazarian og hans elever udtænkte den nye statistiske tilgang til at måle topologien af ​​magnetiske felter ved hjælp af rutinemæssige spektroskopiske observationer taget fra jorden.

For det meste, infrarødt lys absorberes af jordens atmosfære, hvilket er grunden til konventionelle magnetfeltmålinger kræver teleskoper placeret på lang varighed, ballonflyvninger i høj højde, eller over det på satellitter. I de seneste år, mange nye målinger af interstellare magnetfelter, for eksempel, blev indsamlet ved hjælp af Planck-satellitten, et europæisk rumobservatorium med infrarøde funktioner og operationelt fra 2009 til 2013.

Ved at anvende den nye Wisconsin-teknik på en række interstellare molekylære skyer, hvis magnetfelter tidligere var blevet målt af Planck-satellitten, Lazarian og hans elever var i stand til at generere højopløsningskort ved hjælp af eksisterende jordbaserede observationer.

"Teknikken giver magnetfeltkort med opløsning, der kan sammenlignes med kort opnået med Planck-missionen, " siger Lazarian, "og den bruger spektroskopiske observationer indsamlet af forskere til andre formål. I betragtning af at teknikken bruger data fra jordbaserede teleskoper og interferometre, opløsningen af ​​magnetfeltkort kan forbedres væsentligt."

Ud over at bestemme retningen af ​​de interstellare magnetfelter, den nye metode kan bestemme feltets styrke i en fin skala, ned til hver pixel på et kort. "Dette viser, at Wisconsin-teknikken kan revolutionere studier af magnetiske effekter på stjernedannelse ved at bruge eksisterende jordbaserede teleskoper uden at vente på nye rumbaserede polarisationsmissioner med en højere opløsning i en fjern fremtid, " siger Lazarian.

Den nye teknik, Lazarian tilføjer, åbner også et unikt vindue til udviklingen af ​​tredimensionelle magnetfeltkort, arbejde, der allerede er blevet demonstreret i et tilsvarende papir offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift af Lazarian og hans elev, Diego Gonzales Casanova.

For at kontrastere den nye tekniks muligheder med traditionel polarimetri, Lazarian og hans gruppe, inklusive UW-Madison fysik-kandidatstuderende Yue Hu og astronomi-kandidatstuderende Ka Ho Yuen, nøgleforfattere af det nye Natur astronomi rapport, implementerede deres nye metode til at producere det første magnetfeltkort over Smith Cloud, en mystisk sky af atomart brint, der ser ud til at styrte ned på Mælkevejens skive. Tidligere bestræbelser på at kortlægge skyens magnetfelt blev frustreret af dens svage infrarøde emission, skjuler støv og galaktisk atomart brint langs samme synslinje.