8 Minutės
Paukščių Takas turi paslėptą architektūrą – ji parašyta ne akmeniu, o magnetizmu. Nauji radijo stebėjimai paverčia tą nematomą karkasą didelės raiškos žemėlapiu, o vaizdas yra sudėtingesnis, turtingesnis ir kur kas informatyvesnis, nei astronomai tikėjosi. Šiame tyrime pateikiami nauji radijo duomenys, jų analizė ir reikšmė mūsų supratimui apie galaktikos magnetinį lauką bei jo ryšį su tarpžvaigždine terpe.
Matavimas to, ko nematyti: kaip DRAGONS atskleidžia magnetines gijas
Magnetiniai laukai nemirga ar neskleidžia akivaizdžios šviesos; jie palieka įrašus. Vienas iš galingiausių sekimo metodų yra Faradėjaus rotacija: poliarizuoti radijo bangų nukrypta ar „pasisuka“, kai jos praeina per magnetizuotą plazmą, išsaugodamos informaciją apie lauko stiprumą ir kryptį. Stebint šį poslinkį plačiame dažnių diapazone, įmanoma atskirti persidengiančias struktūras toje pačioje regimoje kryptimi ir pradėti rekonstruoti trimačius magnetinio lauko vaizdus.
Ši idėja yra pagrindas Dominion Radio Astrophysical Observatory atliekamai GMIMS kampanijai, šiaurinio dangaus daliai priskirtai slapyvardžiu DRAGONS. Naudodami DRAO 15 metrų radijo teleskopą prie Penticton, Britų Kolumbijoje, tarptautinė grupė, vadovaujama UBC Okanagan tyrėjų, sudarė pirmą plačiajuosčio spektro viso šiaurinio dangaus Faradėjaus rotacijos žemėlapį. 15 m skersmens antena, pradžioje sukurta kaip prototipas Square Kilometre Array (SKA), gali greitai nuskenuoti dangų, sukurdama duomenų rinkinį, atskleidžiantį poliarizuotą emisiją per platų dažnių diapazoną – būtent to reikia sudėtingoms magnetinėms savybėms atskirti.
DRAO 15 m teleskopas scanina dangų DRAGONS tyrimui. Šio tyrimo surinkti duomenys priklauso naujai radijo apžvalgų kartai, kuri leidžia mokslininkams toliau braižyti Paukščių Tako ir jo trimačio magnetinio lauko struktūrą.
DRAGONS yra įterptas į platesnį Global Magneto-Ionic Medium Survey (GMIMS) projektą, kurio tikslas – sužemėlapiuoti magnetizuotą tarpžvaigždinę terpę abiejuose pusrutuliuose. Šiaurinė kampanija, kurią vedė mokslininkai, įskaitant dr. Anną Ordog, dr. Alexą Hillą ir Tomą Landeckerį, panaudojo plataus juostos imtuvus ir kruopščią kalibraciją, kad pasiektų jautrumą struktūroms, kurias siauresnės apžvalgos arba užtamsino, arba visiškai praleido. Tokia instrumentinė pažanga leidžia aptikti subtilius Faradėjaus spektro komponentus ir praktiškai taikyti Faradėjaus tomografiją bei RM (rotation measure) sintezę.
Ką atskleidžia žemėlapis ir kodėl tai svarbu
Pagrindinis atradimas yra aiškus: Paukščių Tako magnetinis laukas dažniau yra sudėtingas nei paprastas. Daugiau nei pusė šiaurinio dangaus, padengto DRAGONS tyrimu, rodo tai, ką astronomai vadina „Faradėjaus kompleksingumu“ – kelios magnetizuotos zonos toje pačioje regimoje kryptimi, kurios sukuria sluoksniuotą, besisukantį signalą. Paprastai tariant, galaktikos magnetinė topografija pilna vingių, posūkių ir lokalizuotų ypatybių, susijusių su fizinėmis struktūromis, tokiomis kaip spiralės rankos, supernovų burbulai ir sąveikaujančios dujų srovės.
Kodėl tai turi reikšmės? Magnetiniai laukai lemia, kaip dujos susitraukia ir sudaro žvaigždes, kaip kosminiai spinduliai (kosminiai jonai) sklinda per erdvę ir kaip energija bei judesio kiekis persikelia per tarpžvaigždinę terpę. Bendras, apibendrintas magnetinio lauko įvertinimas gali užmaskuoti esminę fiziką. DRAGONS žemėlapis atveria siūlinę ir susipynusią šių laukų prigimtį, pateikdamas apribojimus teorijoms ir skaitmeninėms simuliacijoms, kurių anksčiau trūko arba kurios buvo per daug abstrakčios.
Ypač intriguojantys yra įrodymai apie plačias skalės lauko persivertimus – sritis, kuriose magnetinio lauko kryptis keičiasi per kiloparseko mastus. Nauji DRAGONS duomenų analizės rezultatai, įskaitant doktorantės Rebecca Booth iš Calgary universiteto darbą, rodo, kad tokie persivertimai išlieka, kai žiūrima brauodami plačiajuosčio spektro Faradėjaus erdvę, stiprindami argumentą, kad tai yra tikros galaktikos savybės, o ne ribotų stebėjimų artefaktai. Tokie didelio masto lauko pokyčiai turi tiesioginę įtaką galaktikos magnetinio dynamo modeliams ir gali būti susiję su jokiu paprastu, vienalyčiu lauku.
Paukščių Tako schema, rodanti išverstą magnetinį lauką nuo Sagittarius (Šaulio) rankos.
Tyrimas taip pat parodo, kaip magnetiniai laukai persipina ir sąveikauja su žvaigždžių grįžtamojo ryšio sukurtais struktūriniais elementais. Supernovų sprogimai išrada ertmes tarpžvaigždinėse dujose; DRAGONS duomenys rodo, kaip magnetinės linijos lenkiasi aplink šias ertmes ir jungia jas, užuomina apie dinamišką sąveiką tarp sprogstamųjų įvykių ir bendrosios magnetinės geometrijos. Tokie lokalūs iškraipymai gali paveikti dujų susispaudimą aplink žvaigždžių formavimosi regionus ir keisti kosminių spindulių trajektorijas.
Tyrėjams šis duomenų rinkinys yra ne tik įrankis, bet ir iššūkis. Jis kelia klausimus apie galaktinio magnetinio lauko kilmę ir palaikymą: ar sudėtingi raštai yra praeities aktyvumo reliktai, ar dinamo proceso, kurį palaiko galaktikos sukimasis ir turbulencija, ženklai, o gal – to abiejų mišinys? Su nauju žemėlapiu modeliuotojai gali tiesiogiai lyginti simuliacijų sintetinį Faradėjaus spektą su stebėjimais, stiprindami ryšį tarp teorijos ir matavimo. Tai reiškia griežtesnius testus dynamo teorijoms, turbulencijos parametrizacijoms ir magneto-hidrodinaminių procesų modeliavimui aplink spiralines rankas bei barus.
Tyrėjai iš kairės: Rebecca Booth, Anna Ordog ir Alex Hill prie teleskopo, naudoto duomenims rinkti jų tyrimui.
Techninis kontekstas ir ateities perspektyvos
DRAGONS demonstruoja, kaip moderni plataus juostos radijo instrumentacija keičia žaidimo taisykles. Ankstyvieji Faradėjaus tyrimai 1960-aisiais kvalifikuotai įrodė metodą, tačiau trūko imtuvų, apimančių daugelį dažnių. Dabartinės sistemos vienu metu fiksuoja šimtus megahercų ar daugiau, leidžiančios taikyti tokias technikas kaip Faradėjaus tomografija ir RM sintezė, kurios išskiria kelis komponentus palei regimąjį spindulį. Toks dažnių pločio ir spektrinės rezoliucijos derinys yra būtinas aptikti ir atskirti tiek ploniems, tiek plataus masto magnetiniams elementams.
15 m teleskopas buvo idealus šiam viso dangaus darbui, nes gali efektyviai rasterizuoti dideles sritis, užtikrindamas vienodą dangos padengimą per mėnesius, o ne per metus. Tačiau instrumentiniai iššūkiai liko: būtina griežta poliarizacijos kalibracija, interferencijos (RFI) šalinimas, antenos charakteristikų modeliavimas ir jautrumo vienodumo užtikrinimas visame dažnių diapazone. Komanda suformavo lankstų duomenų apdorojimo procesą (pipeline), apimantį RFI žymėjimą, poliarizacijos taisymus ir Faradėjaus spektro rekonstrukciją, kas suteikia aukštos kokybės RM žemėlapius ir poliarizuotos emisijos skyrius.
Už tiesioginių atradimų ribų DRAGONS yra pradininkas būsimoms apžvalgoms su didesnėmis antenų masyvais ir aukštesniu jautrumu. Tokie instrumentai kaip SKA (Square Kilometre Array) ir jų pirmtakai – pavyzdžiui, MeerKAT ir ASKAP – pratęs šį darbą su didesne jautrumo ir erdvine raiška. Tai leis ne tik gauti geresnius žemėlapius, bet ir ištirti magnetinę struktūrą atskiruose žvaigždžių formavimo debesyse, galaktikos haluose ir retame tarpgalaktiniame terpės sluoksnyje.
DRAGONS duomenys ilgai išliks svarbiu ištekliumi. Jie jau tampa pagrindu tyrimams apie lauko persivertimus ir maitins tyrimus apie kosminių spindulių sklaidą, magnetizmo vaidmenį galaktikinių vėjų paleidime bei kryžmines palyginimo analizės su neutralios ir jonizuotos dujų sekikliais (pvz., H I apžvalgos ir poliarizuoto dulkių matavimai). Studentams ir jauniesiems astronomams tyrimas taip pat buvo praktikos aikštelė: UBC Okanagan ir Calgary universiteto komandos nariai įgijo praktinės patirties dirbdami su instrumentų parengimu, trukdžių mažinimu ir apdorojimo programinėmis grandinėmis.
Ekspertų įžvalgos
„Matyti Faradėjaus kompleksingumą per tokias dideles dangaus plotą yra kaip atverti naują langą į galaktiką,“ sako dr. Maya Chen, astrofizikė, nesusijusi su DRAGONS, bet gerai susipažinusi su magneto-joninės terpės tyrimais. „Tai verčia mus peržengti supaprastintus laukų modelius ir išbandyti, kaip turbulencija, žvaigždžių grįžtamasis ryšys ir plačiosios srovės palieka savo pėdsaką magnetinėje geometrijoje. Stebėjimo apribojimai pagaliau vejasi simuliacijas – tik dabar galime atsirinkti konkurencingas teorijas pagal duomenis.“
Dr. Chen pabrėžia duomenų derinimo svarbą: „Sujungus šiuos Faradėjaus žemėlapius su neutralios vandenilio, poliarizuotų dulkių ir kosminių spindulių tyrimais, galėsime sukurti nuoseklų fizikinį vaizdą apie tai, kaip laukai įtakoja ir reaguoja į galaktikos procesus.“ Tokia tarpdisciplininė perspektyva yra būtina, norint išspręsti sudėtingus klausimus apie energijos balansą, magnetinio lauko transportą ir žvaigždžių formavimosi mechanizmus.
Žvelgiant į priekį, DRAGONS nėra galutinė stotelė, o kvietimas. Jis nurodo dar ambicingesnes kampanijas, gilesnį dažnių aprėptį ir sinergijas su ateities teleskopais, kurie kartu atskleis, kaip magnetiniai laukai formuoja galaktikų evoliuciją. Paukščių Tako magnetinis labirintas yra platus, ir su aštresniais žemėlapiais mes pagaliau pradedame mokytis vaikščioti jo koridoriais.
DRAO 15 m teleskopas scanina dangų DRAGONS tyrimui. Šio tyrimo surinkti duomenys priklauso naujai radijo apžvalgų kartai, kuri leidžia mokslininkams toliau braižyti Paukščių Tako ir jo trimačio magnetinio lauko struktūrą. Credit: Luca Galler
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą