نقشه برداری میدان های مغناطیسی پنهان راه شیری با رصد جدید

راه شیری دارای معماری پنهانی است—معماری‌ای که نه از سنگ و خاک بلکه به‌واسطهٔ میدان‌های مغناطیسی نوشته شده است. رصدهای رادیویی جدید آن داربست نامرئی را به نقشه‌های با وضوح بالا تبدیل می‌کنند و تصویر به‌دست‌آمده از آنچه اخترشناسان انتظار داشتند پیچیده‌تر، غنی‌تر و آموزنده‌تر است.

نقشه‌برداریِ نامرئی: چگونه DRAGONS رشته‌های مغناطیسی را می‌بیند

میدان‌های مغناطیسی نورانی نیستند؛ آن‌ها ردپا باقی می‌گذارند. یکی از قدرتمندترین نشانه‌ها چرخش فارادی است: امواج رادیویی قطبی‌شده هنگام عبور از پلاسمای مغناطیسی پیچ می‌خورند و ثبت‌کنندهٔ اطلاعاتی دربارهٔ شدت و جهت میدان هستند. اگر آن پیچ‌خوردگی را در بسامدهای مختلف رصد کنید، می‌توان اجزای هم‌پوشان در امتداد یک خط دید را از هم تفکیک کرد و به بازسازی تصویر سه‌بعدی میدان پرداخت.

این ایده مبنای طرح رصدیِ رصدخانهٔ اخترفیزیک رادیویی Dominion (DRAO) در چارچوب GMIMS بخش شمالی آسمان است که به اختصار DRAGONS نامیده می‌شود. با استفاده از تلسکوپ رادیویی 15 متری DRAO در نزدیکی پنیکتن، بریتیش کلمبیا، تیمی بین‌المللی به رهبری پژوهشگرانی از دانشگاه بریتیش کلمبیا (UBC Okanagan) اولین نقشهٔ چرخش فارادی پهن‌باندِ تمام-آسمانِ نیمکرهٔ شمالی را تهیه کردند. دیسک 15 متری که در اصل به‌عنوان نمونه‌ای آزمایشی برای آرایهٔ کیلومتر مربعی (SKA) ساخته شده بود، توانایی اسکن سریع آسمان را داراست و مجموعه داده‌ای تولید می‌کند که انتشار قطبی‌شده را در پهنهٔ وسیعی از فرکانس‌ها آشکار می‌سازد—همان چیزی که برای تفکیک ویژگی‌های پیچیدهٔ مغناطیسی لازم است.

تلسکوپ 15 متری DRAO در حال اسکن آسمان برای پیمایش DRAGONS. داده‌های گردآوری‌شده توسط این پیمایش متعلق به نسل جدید رصدهای رادیویی است که به دانشمندان اجازه می‌دهد نقشهٔ سه‌بعدی میدان مغناطیسی کهکشان راه شیری را ادامه دهند.

DRAGONS در درون پروژهٔ بزرگ‌تر «پیمایش جهانی محیط مغناتو-یونیک» (Global Magneto-Ionic Medium Survey یا GMIMS) قرار دارد؛ تلاشی که برای نقشه‌برداری از محیط میان‌ستاره‌ای مغناطیسی‌شده در هر دو نیم‌کره آغاز شد. بخش شمالی این برنامه، به‌سرپرستی دانشمندانی همچون دکتر آنا اُرداگ، دکتر الکس هیل و تام لاندکر، از گیرنده‌های پهن‌باند و کالیبراسیون دقیق بهره برد تا حساسیتی به ویژگی‌هایی ارائه دهد که در پیمایش‌های باریک‌تر یا محو می‌شدند یا کلاً از دست می‌رفتند.

نقشه چه چیز را نشان می‌دهد و چرا اهمیت دارد

یافتهٔ اصلی ساده اما تعیین‌کننده است: میدان مغناطیسی راه شیری اغلب پیچیده‌تر از حالت ساده است. بیش از نیمی از نیمهٔ شمالی آسمان که توسط DRAGONS پوشش داده شده، آنچه اخترشناسان «پیچیدگی فارادی» می‌نامند را نشان می‌دهد—یعنی وجود چندین ناحیهٔ مغناطیسی در امتداد یک خط دید که سیگنال لایه‌ای و پیچ‌خورده‌ای تولید می‌کنند. به بیانی ساده، چشم‌انداز مغناطیسی کهکشان پر از تاخوردگی‌ها، معکوس‌شدگی‌ها و ویژگی‌های موضعی است که با ساختارهای فیزیکی مانند بازوهای مارپیچی، حفره‌های حاصل از ابرنواخترها و جریان‌های برهم‌کنش‌دهندهٔ گازی مرتبط‌اند.

چرا این موضوع اهمیت دارد؟ میدان‌های مغناطیسی نحوهٔ فروپاشی گاز برای شکل‌گیری ستارگان، انتشار پرتوهای کیهانی و چگونگی انتقال انرژی و تکانه در محیط میان‌ستاره‌ای را تحت تأثیر قرار می‌دهند. اندازه‌گیری‌های میانگین و درشت از میدان می‌تواند فیزیک کلیدی را پنهان کند. نقشهٔ DRAGONS ماهیت رشته‌ای و درهم‌تنیدهٔ این میدان‌ها را آشکار می‌سازد و محدودیت‌هایی فراهم می‌کند که نظریه و شبیه‌سازی‌ها تاکنون از آن‌ها محروم بودند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

نقشهٔ رادیویی حساس و گستردهٔ رنگی کهکشان راه شیری

منجمان حساس‌ترین و گسترده‌ترین تصویر رادیویی در بسامدهای پایین از کهکشان ما تا کنون را به...

نکتهٔ جالب‌توجه شواهدی برای معکوس‌شدن‌های در مقیاس بزرگ است—ناحیه‌هایی که در آن جهت میدان مغناطیسی بر روی مقیاس‌هایی به بزرگی کیلونوپارسک تغییر علامت می‌دهد. تحلیل‌های جدیدِ داده‌های DRAGONS، از جمله کار ریبکا بوث از دانشجویان دکترای دانشگاه کلگری، نشان می‌دهد که این معکوس‌شدن‌ها هنگام مشاهده در فضای فارادیِ پهن‌باند پابرجا می‌مانند و احتمال این‌که آن‌ها ویژگی‌های واقعی کهکشان باشند (نه مصنوعات ناشی از مشاهدات محدود) را تقویت می‌کند.

نموداری از کهکشان راه شیری که معکوس‌شدن میدان مغناطیسی مرتبط با بازوی قوس (Sagittarius Arm) را نشان می‌دهد.

این پیمایش همچنین نشان می‌دهد چگونه میدان‌های مغناطیسی با ساختارهایی که از بازخوردهای ستاره‌ای به‌وجود می‌آیند درآمیخته و تعامل می‌کنند. انفجارهای ابرنواختری حباب‌هایی در گاز میان‌ستاره‌ای ایجاد می‌کنند؛ داده‌های DRAGONS نشان می‌دهد که خطوط میدان چگونه دور این حفره‌ها خم می‌شوند و آن‌ها را به‌هم متصل می‌کنند، که ضمن اشاره به یک بازی دینامیک بین رخدادهای انفجاری و هندسهٔ کلی میدان، سرنخ‌هایی از انتقال انرژی و القای آشفتگی ارائه می‌دهد.

برای پژوهشگران، این مجموعهٔ داده هم ابزار و هم چالشی است. این داده‌ها پرسش‌هایی را دربارهٔ منشأ و نگهداری میدان‌های مغناطیسی کهکشانی باز می‌کنند: آیا الگوهای پیچیده باقی‌مانده‌ای از فعالیت‌های گذشته‌اند، نشانۀ فرایند دینامویی هستند که توسط چرخش کهکشانی و آشفتگی حفظ می‌شود، یا ترکیبی از هر دو؟ با نقشهٔ جدید، مدل‌سازان می‌توانند طیف‌های فارادی مصنوعی تولیدشده از شبیه‌سازی‌ها را مستقیماً با مشاهدات مقایسه کنند و حلقهٔ میان نظریه و اندازه‌گیری را تنگ‌تر سازند.

پژوهشگران، از چپ: ریبکا بوث، آنا اُرداگ و الکس هیل در کنار تلسکوپی که برای گردآوری داده‌های مطالعهٔ آن‌ها استفاده شده است.

زمینهٔ فنی و چشم‌اندازهای آینده

DRAGONS نشان می‌دهد که چگونه ابزارهای رادیویی پهن‌باندِ مدرن بازی را تغییر می‌دهند. مطالعات اولیهٔ فارادی در دههٔ 1960 این روش را به‌صورت کیفی معرفی کردند، اما گیرنده‌هایی با پوشش فرکانسی گسترده در اختیار نداشتند. سامانه‌های امروزی صدها مگاهرتز یا بیشتر را در یک جاروبِ واحد ثبت می‌کنند و فنون مانند توموگرافی فارادی را ممکن می‌سازند تا چندین مؤلفهٔ امتداد خط دید از هم تفکیک شوند. تلسکوپ 15 متری پلتفرم ایده‌آلی برای این تلاش تمام-آسمانی بود، زیرا می‌تواند مناطقی وسیع را به‌صورت رَستر اسکن کند و پوشش یکنواخت را در ماه‌ها به‌جای سال‌ها فراهم آورد.

فراتر از یافته‌های لحظه‌ای، DRAGONS مسیر را برای پیمایش‌های آینده با آرایه‌های بزرگ‌تر و حساسیت بالاتر هموار می‌کند. ابزارهایی مانند SKA و پیش‌نمونه‌های آن این کار را با عمق و وضوح بیشتر گسترش خواهند داد. این بدان معناست که نه تنها نقشه‌های بهتری در اختیار خواهد بود، بلکه امکان مطالعهٔ ساختار مغناطیسی درون ابرهای منفرد تشکیل‌دهندهٔ ستاره، هاله‌های کهکشانی و محیط رقیق میان کهکشان‌ها فراهم خواهد شد.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

کشف موج عظیم و آهسته در دیسک کهکشان راه شیری به وسیله گایا

نقشه‌های تازه مأموریت گایا نشان می‌دهد که کهکشان راه شیری تنها در حال چرخش و دارای...

داده‌های DRAGONS منبعی چندساله خواهند بود. این مجموعه در حال حاضر پایهٔ مطالعاتی دربارهٔ معکوس‌شدن میدان است و به پژوهش‌هایی دربارهٔ انتشار پرتوهای کیهانی، نقش مغناطیس در راه‌اندازی بادهای کهکشانی و مقایسه‌های متقابل با نشانه‌های گاز خنثی و یونیزه‌شده تغذیه خواهد کرد. برای دانشجویان و اخترشناسان جوان، این پیمایش همچنین میدان آموزش بوده است: اعضای تیم از UBC Okanagan و دانشگاه کلگری تجربهٔ عملی در راه‌اندازی ابزار، کاهش تداخل رادیویی و توسعهٔ خطوط پردازش (pipeline) کسب کردند.

از نظر فنی، چند عنصر کلیدی موجب موفقیت DRAGONS شدند: گیرنده‌های پهن‌باند با نسبت سیگنال به نویز بالا، کنترل دقیق قطبش و کالیبراسیون فاز، الگوریتم‌های حذف تداخل رادیویی زمین‌مبنا، و روش‌های پیشرفتهٔ توموگرافی فارادی که توانایی تفکیک اجزای نزدیک به هم در فضای فارادی را دارند. تمامی این‌ها همراه با استراتژی اسکن سریع و همپوشانی مناسب نقشه‌ها باعث شده که داده‌ها برای مدل‌سازی مغناطیسی و مقایسه با خروجیِ شبیه‌سازی‌های MHD (مغناطیسی-هیدرودینامیک) بسیار مناسب باشند.

در زمینهٔ تحلیل، پژوهشگران از مجموعهٔ متنوعی از تکنیک‌ها بهره می‌برند: بازسازی طیف‌های فارادی، تعیین پراکندگی قطبش، تحلیل فاصلهٔ مؤثر برای منابع میدان‌دار و cross-correlation با نقشه‌های هیدروژن خنثی (HI)، نقشه‌های گرد و غبار قطبی‌شده و داده‌های پرتو کیهانی. ترکیب این داده‌ها تصویر فیزیکی منسجم‌تری از چگونگی تأثیر و پاسخ میدان‌ها به روندهای کهکشانی ارائه می‌دهد و برای آزمون مدل‌های دینامو و انتقال انرژی بسیار حیاتی است.

بینش کارشناسان

«دیدن پیچیدگی فارادی در گستره‌های وسیع آسمان مانند باز کردن پنجرهٔ جدیدی بر کهکشان است»، می‌گوید دکتر مایا چن، اخترفیزیکدانی که با پروژهٔ DRAGONS ارتباط مستقیمی ندارد اما با مطالعات مغناتو-یونیک آشناست. «این ما را وادار می‌کند از مدل‌های سادهٔ میدان فراتر رویم و بررسی کنیم چگونه آشفتگی، بازخورد ستاره‌ای و جریان‌های وسیع هرکدام رد پاهای خود را بر هندسهٔ مغناطیسی باقی می‌گذارند. محدودیت‌های مشاهداتی نهایتاً به سرعت در حال همگام شدن با پیش‌بینی‌های شبیه‌سازی‌ها هستند—و حالا می‌توانیم میان نظریه‌های رقیب تمایز قائل شویم.»

دکتر چن بر اهمیت ترکیب مجموعه‌داده‌ها تأکید می‌کند: «هم‌سازی این نقشه‌های فارادی با پیمایش‌های هیدروژن خنثی، گرد و غبار قطبی‌شده و نشانگرهای پرتو کیهانی به ما اجازه می‌دهد تصویری فیزیکی منسجم بسازیم از این‌که چگونه میدان‌ها روندهای کهکشانی را تحت تأثیر قرار می‌دهند و چگونه خودشان به این فرایندها پاسخ می‌دهند.»

نگاه به آینده، DRAGONS را پایانی نمی‌داند بلکه دعوتی می‌داند. این پروژه به کمپین‌های جسورانه‌تر، پوشش فرکانسی عمیق‌تر و هم‌افزایی با تلسکوپ‌های نسل بعدی اشاره می‌کند که در کنار هم نشان خواهند داد میدان‌های مغناطیسی چگونه تکامل کهکشان‌ها را شکل می‌دهند. هزارتوی مغناطیسی راه شیری وسیع است، و با نقشه‌های دقیق‌تر سرانجام داریم یاد می‌گیریم چگونه در تالارهای آن قدم بزنیم.

تلسکوپ 15 متری DRAO در حال اسکن آسمان برای پیمایش DRAGONS. داده‌های گردآوری‌شده توسط این پیمایش متعلق به نسل جدید رصدهای رادیویی است که به دانشمندان اجازه می‌دهد نقشهٔ سه‌بعدی میدان مغناطیسی کهکشان راه شیری را ادامه دهند. اعتبار تصویر: لوکا گالر

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

تأثیر پنهان ماده تاریک در تکامل کهکشان ها

نقش ماده تاریک در ساختار کهکشان‌ها کهکشان‌ها ساختارهای کیهانی بسیار پیچیده‌ای هستند که فراتر از آنچه...