تشخیص تغییرات میدان مغناطیسی برون کهکشانی

14 جولای 2023 – توسط لوری آن وایت، دانشگاه استانفورد

خطوط مواج در این تصاویر از کهکشان‌های M83، NGC7331 و M82، میدان‌های مغناطیسی پر آشوب را در ابرهای غبار متراکم نواحی ستاره‌سازشان، بر خلاف نواحی آرام‌تر بین بازوهای مارپیچی و اطراف قرص‌های کهکشانی، ردیابی می‌کنند. این تصاویر مستقیماً بر اساس داده‌های Survey of ExtragALactic magnetiSm با SOFIA (SALSA) است.

میدان های مغناطیسی در سرتاسر کیهان پخش است اما مطالعه آن بسیار چالش برانگیز است. آنها مستقیماً نور ساطع یا منعکس نمی کنند و نور از سراسر طیف الکترومغناطیسی تامین کننده اصلی داده های اخترفیزیکی است. در عوض، محققان مجبور شده‌اند معادل براده‌های آهن کیهانی را بیابند – ماده‌ای در کهکشان‌ها که به میدان‌های مغناطیسی حساس است و همچنین نور مشخص شده با ساختار و شدت میدان‌ها را ساطع می‌کند.

در یک مطالعه جدید منتشر شده در مجله Astrophysical، چندین اخترفیزیکدان استنفورد سیگنال‌های فروسرخ را از چنین ماده‌ای مورد مطالعه قرار داده‌اند. مقایسه با نور الکترون های پرتوی کیهانی که با میدان های مغناطیسی در مواد گرمتر و پراکنده تر مشخص شده است، تفاوت های شگفت انگیزی را در میدان های مغناطیسی اندازه گیری شده کهکشان ها نشان داد.

انریکه لوپز-رودریگز، اخترفیزیکدان استنفورد و عضو مؤسسه کاولی برای شتاب ذرات و کیهان شناسی (KIPAC) تفاوت ها و معنی آنها را برای رشد و تکامل کهکشانی توضیح می دهد.

لوپز-رودریگز که اصالتاً اهل جزایر قناری بود، به عنوان دانشمند با رصدخانه استراتوسفر برای نجوم فروسرخ (SOFIA) به منطقه خلیج آمد. قبل از پایان برنامه SOFIA در سال 2022، لوپز-رودریگز به استنفورد پیوست و در آنجا به تجزیه و تحلیل داده های میراث SOFIA به عنوان یکی از محققین اصلی SALSA، بررسی مغناطیسی خارج از کهکشانی با SOFIA ادامه می دهد.

این مصاحبه برای وضوح و اختصار ویرایش شده است.

آیا می توانید یافته های خود را شرح دهید؟ چه چیزی آنها را اینقدر پیشگام می کند؟

این اولین مطالعه ای است که میدان های مغناطیسی را در محیط های فیزیکی مختلف کهکشان های دیگر مقایسه می کند. برای انجام این کار، ما به 15 کهکشان مختلف نزدیک در طول موج های رادیویی و مادون قرمز دور نگاه کردیم. ما دو محقق اصلی متفاوت برای این مطالعه داریم: من برای داده‌های مادون قرمز و Sui Ann Mao در موسسه ماکس پلانک برای نجوم رادیویی در آلمان برای داده‌های رادیویی.

گروه های ما دو میدان مغناطیسی بسیار متفاوت را در یک کهکشان پیدا کردند. مشاهدات رادیویی یک میدان مغناطیسی بسیار منظم را در محیط یونیزه، گرم و پراکنده یک تا دو کیلوپارسک بالاتر از دیسک‌های کهکشانی که مورد مطالعه قرار دادیم ردیابی می‌کنند [یک کیلوپارسک 3260 سال نوری است]، در حالی که نور مادون قرمز بسیار دور توسط دانه‌های غباری که به صورت مغناطیسی تراز شده در صفحه میانی ساطع می‌شود. دیسک‌ها میدان مغناطیسی را نشان می‌دهند که تقریباً دو برابر آشفته‌تر است. به طور خلاصه، مناطقی که ستاره‌زایی بیشتری داشتند، میدان‌های مغناطیسی قوی‌تر و آشفته‌تری داشتند.

این میدان های مغناطیسی پر آشوب به ما چه می گویند؟

بازوهای مارپیچی به دلیل فعالیت ستاره‌زایی و تشکیل ابرهای مولکولی، میدان‌های مغناطیسی پیچیده‌ای دارند که نشان‌دهنده سطوح بالای تلاطم و به طور بالقوه مکانی است که میدان‌های مغناطیسی ممکن است تقویت شوند. در مقابل، نواحی بین بازوهای کهکشان‌های مارپیچی و در محیط بالا و پایین دیسک دارای میدان‌های مغناطیسی منظمی هستند که نشان می‌دهد چرخش کهکشان‌ها ممکن است در ترتیب این میدان‌های مغناطیسی نقش داشته باشد.

به طور کلی، ما نقش میدان‌های مغناطیسی را در تکامل کهکشان‌ها نمی‌دانیم، اما این مشاهدات مادون قرمز دور به ما می‌گویند که میدان‌های مغناطیسی ذاتاً به مناطق ستاره‌زایی مرتبط هستند، که کلید تشکیل کهکشان است. ما دقیقاً نمی دانیم که آنها چگونه به هم مرتبط هستند، اما فکر می کنیم ممکن است نوعی حلقه بازخورد بین این دو وجود داشته باشد.

بعدش چی؟ چگونه به دنبال ماهیت حلقه بازخورد خواهید بود؟

با این نتیجه، اکنون می‌توانیم مطالعات سه‌بعدی از میدان‌های مغناطیسی در کهکشان‌های دیگر انجام دهیم که به ما کمک می‌کند تا تأثیرات آن‌ها بر فعالیت‌های تشکیل ستاره و تکامل کهکشان‌ها را مطالعه کنیم.

اما ما همچنین به مشاهداتی با وضوح زاویه‌ای بالاتر نیاز داریم تا بتوانیم نگاه دقیق‌تری به مناطق ستاره‌ساز داشته باشیم و همچنین باید میدان‌های مغناطیسی را در طول زمان کیهانی مطالعه کنیم. خبر خوب این است که ما در حال حاضر این نوع داده ها را با ALMA (آرایه میلی متری/زیر میلی متری بزرگ آتاکاما) دریافت می کنیم. علاوه بر این، نسل بعدی ماموریت‌های فضایی ناسا نیز شامل همان انواع مشاهدات قطبی مادون قرمز دور است که ما از آن برای مطالعه میدان‌های مغناطیسی در نمونه آماری کهکشان‌ها استفاده کردیم.

در مطالعه نیز شرکت دارند. چطور همه اینجا جمع شدید؟

برای خودم، در ناسا یک دانشمند ابزارسازی بودم و بیش از 100 بار با سوفیا پرواز کردم – اگرچه هر پرواز یک ماجراجویی بود، اما واقعاً چندین بار برای من بود. بیشتر مشاهداتی که ما در این مطالعه استفاده کردیم، خودم را با HAWC+ [دوربین باند پهن هوابرد با وضوح بالا، تصویرگر مادون قرمز دور و قطبش] گرفتم. من ابزار و نحوه کار با داده ها را می دانستم و یک حالت مشاهده جدید ایجاد کردم که حساسیت و زمان مشاهده را تا 300٪ بهبود می بخشد. تحقیقات من بر مطالعه میدان‌های مغناطیسی در کهکشان‌ها متمرکز است و از آنجایی که من قبلاً از نزدیک با ابزار، جمع‌آوری داده‌ها و تجزیه و تحلیل کار می‌کردم، این پروژه کاملاً مطابقت داشت.

بعد از سوفیا می‌خواستم تمام وقت علم انجام دهم و کیپک خیلی خوب در را به روی من باز کرد. به خصوص زمانی که متوجه شدم سوزان کلارک [دستیار] نیز به اینجا می آید و متوجه شدم که اهداف تحقیقاتی او به خوبی با اهداف من مطابقت دارد. همچنین مهرنوش [طاهانی] را داریم که میدان های مغناطیسی کهکشان راه شیری را در رادیو مطالعه می کند، سرجیو [مارتین آلوارز] که شبیه سازی های مغناطیسی هیدرودینامیکی انجام می دهد و الکس [الخاندرو اس. بورلاف] که از ناسا در حال بازدید است. -ایمز به عنوان همکار فوق دکترای ناسا.

اکنون ما طیف گسترده‌ای از تخصص در زمینه مغناطیس در استنفورد داریم، که ما را به تیمی منحصربه‌فرد تبدیل می‌کند که می‌تواند بیشترین علم را از این مشاهدات SALSA استخراج کند.