En ny, mer tillgängligt och mycket billigare tillvägagångssätt för att kartlägga topologin och styrkan hos interstellära magnetfält – som vävs genom rymden i vår galax och bortom, representerar en av de mest potenta krafterna i naturen – har utvecklats av forskare vid University of Wisconsin-Madison.

Tillsammans med gravitationen, magnetiska fält spelar en stor roll i många av de astrofysiska processer – från stjärnbildning till att röra om de massiva damm- och gasmolnen som genomsyrar det interstellära rymden – som ligger till grund för stjärnornas struktur och sammansättning, planeter och galaxer. På den galaktiska skalan, magnetiska fält dominerar accelerationen och utbredningen av kosmiska strålar, och spelar en viktig roll vid överföring av värme och polariserad strålning.

Vad mer, den polariserade strålningen som uppstår från galaktiska magnetfält överstiger med storleksordningar den för Cosmic Microwave Background (CMB), relikstrålningen från universums första ögonblick. Nästa milstolpe i förståelsen av universums ursprung, vissa forskare tror, kräver mätning av CMB:s polariserade strålning. Viktigt, Att reda ut topologin för de mellanliggande magnetfälten mellan jorden och CMB kommer att vara ett nödvändigt steg för att på ett tillförlitligt sätt få fram dessa data.

Men trots deras betydelse och genomgripande inflytande, interstellära magnetfält representerar en av astrofysikens slutliga gränser. Lite är känt om dem, till stor del, eftersom de är oerhört svåra att studera.

"Det finns mycket begränsade sätt att studera magnetfält i rymden, " förklarar Alexandre Lazarian, en UW-Madison professor i astronomi och en auktoritet på det interstellära mediet, de till synes tomma utrymmena mellan stjärnorna som är, faktiskt, rik på materia och vridna egenskaper, vikta och trassliga magnetiska fält som består av helt eller delvis joniserade plasmaer inneslutna i magnetfält. "Vår förståelse för alla dessa (astrofysiska) processer lider av vår dåliga kunskap om magnetfält."

Nu, mycket av den kunskapen kan vara mer lättillgänglig. Skriver den här veckan (10 juni, 2019) i tidskriften Natur astronomi , ett internationellt team ledd av astrofysikern från Wisconsin demonstrerar en ny metod som kan spåra orienteringen av magnetfält i virveln i det interstellära rymden.

proof-of-concept som rapporterades i Natur astronomi bygger på en serie teoretiska och numeriska studier publicerade under de senaste två åren av Lazarian och hans elever, och som lägger fram ett radikalt nytt tillvägagångssätt för att kartlägga härvan av magnetiska fält i rymden.

Tills nu, mycket av den detaljerade kartläggningen av magnetfält i diffusa miljöer som moln av damm och gas i rymden involverade infraröd polarimetri med instrument utplacerade antingen på satelliter eller ballonger som flög högt upp i stratosfären.

Den nya metoden, känd som Velocity Gradient Technique och informellt som "Wisconsin-tekniken, " använder tidigare insamlade observationsdata från en mängd markbaserade teleskop, överskrider behovet av att placera instrument i rymden, en kostsam och begränsad resurs för astronomer. Bygger på studier av turbulens i magnetfält i ledande vätskor, Lazarian och hans elever utarbetade det nya statistiska tillvägagångssättet för att mäta topologin för magnetiska fält med hjälp av rutinspektroskopiska observationer tagna från marken.

För det mesta, infrarött ljus absorberas av jordens atmosfär, vilket är anledningen till att konventionella magnetfältsmätningar kräver teleskop placerade på lång varaktighet, ballongflygningar på hög höjd, eller över den på satelliter. På senare år har många nya mätningar av interstellära magnetfält, till exempel, samlades in med hjälp av Planck-satelliten, ett europeiskt rymdobservatorium med infraröd kapacitet och i drift från 2009 till 2013.

Genom att tillämpa den nya Wisconsin-tekniken på ett antal interstellära molekylära moln vars magnetfält tidigare hade mätts av Planck-satelliten, Lazarian och hans elever kunde generera högupplösta kartor med hjälp av befintliga markbaserade observationer.

"Tekniken ger magnetfältskartor med upplösning jämförbar med kartor som erhållits med Planck-uppdraget, säger Lazarian, "och den använder spektroskopiska observationer som samlats in av forskare för andra ändamål. Med tanke på att tekniken använder data från markbaserade teleskop och interferometrar, upplösningen av magnetfältskartor kan förbättras avsevärt."

Förutom att bestämma riktningen för de interstellära magnetfälten, den nya metoden kan bestämma fältets styrka i en fin skala, ner till varje pixel på en karta. "Detta visar att Wisconsin-tekniken kan revolutionera studier av magnetiska effekter på stjärnbildning genom att använda befintliga markbaserade teleskop utan att vänta på nya rymdbaserade polarisationsuppdrag med högre upplösning inom någon avlägsen framtid, säger Lazarian.

Den nya tekniken, Lazarian tillägger, öppnar också ett unikt fönster för utvecklingen av tredimensionella magnetfältskartor, arbete som redan har visats i ett motsvarande dokument publicerat i Astrofysisk tidskrift av Lazarian och hans elev, Diego Gonzales Casanova.

För att kontrastera den nya teknikens möjligheter med traditionell polarimetri, Lazarian och hans grupp, inklusive UW-Madison fysik doktorand Yue Hu och astronomi doktorand Ka Ho Yuen, nyckelförfattare till det nya Natur astronomi Rapportera, använde sin nya metod för att producera den första magnetfältskartan över Smith Cloud, ett mystiskt moln av atomärt väte som verkar krascha mot Vintergatans skiva. Tidigare försök att kartlägga molnets magnetfält var frustrerade av dess svaga infraröda emission, skymmer damm och galaktiskt atomärt väte längs samma siktlinje.