10 Minute
Calea Lactee are o arhitectură ascunsă — una scrisă în magnetism, nu în piatră. Observațiile noi în radio transformă această schelă invizibilă într-o hartă de înaltă rezoluție, iar imaginea este mai dezordonată, mai bogată și mult mai informativă decât astronomii anticipau.
Cartografierea invizibilului: cum detectează DRAGONS firele magnetice
Câmpurile magnetice nu strălucesc. Ele lasă urme. Unul dintre cei mai puternici indicatori este rotația Faraday: undele radio polarizate se răsucesc când trec printr-un plasma magnetizat, purtând cu ele un registru al intensității și al direcției câmpului magnetic. Observând această răsucire pe un interval larg de frecvențe radio, poți separa structuri suprapuse pe aceeași linie de vedere și poți începe să reconstruiesti o imagine tridimensională a câmpului.
Aceasta este premisa din spatele componentei Dominion Radio Astrophysical Observatory a GMIMS pentru cerul nordic, poreclită DRAGONS. Folosind radiotelescopul DRAO cu diametrul de 15 metri, lângă Penticton, British Columbia, o echipă internațională condusă de cercetători de la UBC Okanagan a asamblat prima hartă broadband a rotației Faraday care acoperă întreg cerul nordic. Antena de 15 m, construită inițial ca prototip pentru Square Kilometre Array, poate scana cerul rapid, producând un set de date care dezvăluie emisia polarizată pe o gamă largă de frecvențe — exact ce e necesar pentru a separa caracteristicile magnetice complexe.
Radiotelescopul DRAO de 15 m în timpul scanării cerului pentru sondajul DRAGONS. Datele colectate de acest sondaj reprezintă o generație nouă de sondaje radio care permit oamenilor de știință să continue cartografierea Căii Lactee și structura sa magnetică tridimensională.
DRAGONS este integrat în cadrul mai larg al Global Magneto-Ionic Medium Survey (GMIMS), un efort lansat pentru a cartografia mediul interstelar magnetizat în ambele emisfere. Componenta nordică, coordonată de oameni de știință precum Dr. Anna Ördög, Dr. Alex Hill și Tom Landecker, a folosit receptoare broadband și calibrare atentă pentru a obține sensibilitate la structuri pe care sondajele mai înguste le uniformizau sau le ratau complet. Această combinație de tehnologie modernă și metodologie de procesare a fost esențială pentru a evidenția detalii fine ale rotației Faraday și pentru a permite tomografia Faraday la scară largă.
Metodele folosite includ sinteza RM (Rotation Measure synthesis) și reconstrucții în spațiul de adâncime Faraday (Faraday depth), care transformă variațiile de fază ale semnalului polarizat în distribuții pe o axă ce reflectă cantitatea de material magnetizat întâlnit pe drum. Această abordare face posibil ca semnalele produse de mai multe regiuni magnetizate de-a lungul aceleiași linii de vedere să fie despovedite și analizate individual, oferind o imagine cu adevărat stratificată a câmpurilor magnetice galactice.
Ce dezvăluie harta și de ce contează
Concluzia principală este directă: câmpul magnetic al Căii Lactee este mai frecvent complicat decât simplu. Mai mult de jumătate din cerul nordic acoperit de DRAGONS prezintă ceea ce astronomii numesc „complexitate Faraday” — multiple regiuni magnetizate pe aceeași linie de vedere care produc un semnal stratificat și răsucit. Pe înțelesul tuturor, peisajul magnetic al galaxiei este plin de pliuri, inversiuni și trăsături localizate legate de structuri fizice precum brațele spiralate, bulele produse de supernove și curgerile de gaz în interacțiune.
De ce are importanță acest lucru? Câmpurile magnetice influențează modul în care gazul colapsează pentru a forma stele, modul în care particulele cosmice (cosmic rays) se propagă și modul în care energia și momentumul se transportă prin mediul interstelar. O măsură grosieră, mediată a câmpului poate ascunde fizica critică. Harta DRAGONS pune în evidență natura filamentoasă și răsucită a acestor câmpuri, oferind constrângeri pe care atât teoriile, cât și simulările le-au dorit de mult timp.
Un aspect deosebit de interesant este dovada inversiunilor la scară largă — regiuni în care direcția câmpului magnetic se răstoarnă pe scale de kiloparseci. Analize noi ale datelor DRAGONS, inclusiv lucrări realizate de doctoranda Rebecca Booth de la University of Calgary, arată că astfel de inversiuni persistă și când sunt privite în spațiul broadband Faraday, întărind ideea că acestea sunt caracteristici galactice reale, nu artefacte ale observațiilor limitate.
Diagramă a galaxiei Calea Lactee, arătând inversarea câmpului magnetic în brațul Sagittarius.
Sondajul ilustrează, de asemenea, cum câmpurile magnetice se înfășoară și interacționează cu structurile produse de feedback-ul stelar. Exploziile de supernova sculptează bule în gazul interstelar; datele DRAGONS arată cum liniile magnetice se curbează în jurul acestor cavități și leagă zonele adiacente, sugerând o interacțiune dinamică între evenimentele explozive și geometria magnetică globală. În plus, harta oferă indicii despre modul în care contribuțiile locale (de exemplu, bule ale Vânturilor stelare sau regiuni H II) se combină cu structura câmpului pe scară galactică.
Pentru cercetători, setul de date este atât o unealtă, cât și o provocare. Deschide întrebări privind originea și menținerea câmpurilor magnetice galactice: sunt modelele complexe relicve ale activității trecute, semnături ale unui proces de dinamă (dynamo) susținut de rotația galactică și turbulență, sau o combinație a ambelor? Cu noua hartă, modelatorii pot compara spectre Faraday sintetice rezultate din simulări direct cu observațiile, strângând bucla dintre teorie și măsură și permițând discriminarea între scenarii alternative de evoluție a câmpului magnetic.
Un rezultat adițional important este că datele permit măsurători de calitate ale profunzimii Faraday (Faraday depth) în unități de rad/m2, ceea ce oferă o scală cuantificabilă a rotației semnalului. Aceste măsurători servesc pentru a estima produsul dintre densitatea electronilor liberi și proiecția componentelor de-a lungul câmpului magnetic, factori esențiali pentru calcule de propagare a razelor cosmice și pentru parametrizarea forțelor magnetice care acționează la diferite locații din disc și din halou.
Cercetători, de la stânga la dreapta, Rebecca Booth, Anna Ördög și Alex Hill lângă telescopul folosit pentru colectarea datelor studiului lor.
Context tehnic și perspective viitoare
DRAGONS demonstrează cum instrumentația modernă broadband radio schimbă regulile jocului. Primele studii Faraday din anii 1960 au stabilit metoda calitativ, dar erau limitate de receptoare care nu acopereau un interval mare de frecvențe. Sistemele de astăzi capturează sute de megahertzi sau mai mult într-o singură scanare, permițând tehnici precum tomografia Faraday care pot despărți componente multiple pe linia de vedere. Antena de 15 m a fost o platformă ideală pentru această misiune all-sky deoarece poate scana în raster suprafețe vaste eficient, producând o acoperire uniformă în luni de zile, în loc de ani.
Pe plan tehnic, sensibilitatea la polarizare, dinamica între semnalul polarizat și cel total, precum și corecțiile pentru interferențe radio terestre (RFI) au fost aspecte critice ale pipeline-ului de procesare. Echipa a implementat proceduri sofisticate de detectare și eliminare a RFI, a calibrat polarizarea instrumentală și a verificat consistența datelor prin comparații cu sondaje preexistente. De asemenea, utilizarea unui procesor digital modern și a metodelor de combinare a spectrelor a permis obținerea unei rezoluții în adâncime Faraday suficient de fine pentru a rezolva componente apropiate.
Dincolo de constatările imediate, DRAGONS reprezintă un pionier pentru sondaje viitoare cu array-uri mai mari și sensibilitate mai mare. Instrumente precum SKA (Square Kilometre Array) și precursorii săi — de exemplu ASKAP și MeerKAT — vor extinde acest lucru în adâncime și rezoluție. Aceasta înseamnă nu doar hărți mai bune, ci și capacitatea de a analiza structura magnetică din interiorul norilor individuali care formează stele, de-a lungul halouror galactice și în mediul rar dintre galaxii (intergalactic medium).
Datele DRAGONS vor rămâne o resursă importantă pentru ani multipli. Ele susțin deja studii ale inversiunilor de câmp și vor alimenta cercetări privind propagarea razelor cosmice, rolul magnetismului în lansarea vânturilor galactice și comparații transversale cu trasori de gaz neutru și ionizat. În plus, pentru studenți și astronomi la început de carieră, sondajul a fost și un teren de instruire: membrii echipei de la UBC Okanagan și University of Calgary au dobândit experiență practică în comisionarea instrumentelor, atenuarea interferențelor și dezvoltarea pipeline-urilor de procesare a datelor.
Pe termen mediu și lung, banca de date DRAGONS va fi utilă pentru dezvoltarea algoritmilor de învățare automată (machine learning) destinați detectării automate a caracteristicilor Faraday complexe, pentru crearea de cataloage de regiuni magnetizate și pentru integrarea cu alte baze de date astronomice. Sinergiile urmărite includ combinarea hărților de rotație Faraday cu sondaje HI (hidrogen neutru), cartografierea prafului polarizat (de ex. date Planck) și măsurători de emisie synchrotron, astfel încât să se construiască un tablou coerent al interacțiunilor între fazele neutre, ionizate și magnetizate ale mediului interstelar.
Perspective ale experților
„A vedea complexitatea Faraday pe suprafețe atât de extinse ale cerului este ca și când am deschide o fereastră nouă către galaxie,” spune Dr. Maya Chen, o astrofiziciană neafiliată proiectului DRAGONS dar familiarizată cu studiile magneto-ionice. „Ne obligă să trecem dincolo de modelele simpliste ale câmpului și să testăm în ce măsură turbulența, feedback-ul stelar și curgerile la scară largă își lasă amprenta asupra geometriei magnetice. Constrângerile observaționale ajung în sfârșit din urmă predicțiile simulărilor — doar că acum putem discrimina între teorii concurente.”
Dr. Chen subliniază importanța combinării seturilor de date: „Perecherea acestor hărți Faraday cu sondaje de hidrogen neutru, cu hărți ale prafului polarizat și cu trasori ai razelor cosmice ne va permite să construim un tablou fizic coerent despre modul în care câmpurile influențează și răspund la procesele galactice.”
Privind înainte, DRAGONS nu este un punct final, ci o invitație. Indică campanii mai ambițioase, acoperiri de frecvență mai adânci și sinergii cu telescoapele de generație următoare care, împreună, vor dezvălui cum câmpurile magnetice modelează evoluția galaxiilor. Labirintul magnetic al Căii Lactee este vast, iar cu hărți mai clare abia începem să învățăm cum să ne plimbăm prin coridoarele sale.
Radiotelescopul DRAO de 15 m în timpul scanării cerului pentru sondajul DRAGONS. Datele colectate de acest sondaj reprezintă o generație nouă de sondaje radio care permit oamenilor de știință să continue cartografierea Căii Lactee și structura sa magnetică tridimensională. Credit: Luca Galler
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu