Νεαροί γαλαξίες έχουν ισχυρά μαγνητικά πεδία που έρχεται σε αντίθεση με τις δημοφιλείς θεωρίες

Πηγή: ScienceDaily, 26 Ιουλίου 2008

Η προέλευση των μαγνητικών πεδίων στους γαλαξίες αποτελεί ακόμα ένα μυστήριο για τους αστρονόμους. Οι δημοφιλείς θεωρίες προτείνουν τη συνεχή ενίσχυση τους κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών. Εντούτοις, τα πιο πρόσφατα αποτελέσματα από την ομάδα του Simon Lilly, έρχονται σε αντίθεση με αυτήν την υπόθεση και αποκαλύπτουν ότι και οι νεαροί γαλαξίες έχουν επίσης πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία.

"Υπάρχει ένα αστρονομικό αστείο που λέει το εξής: "για να κατανοήσουμε τον Κόσμο, εξετάζουμε γαλαξίες για την ακτινοβολία, τα αέρια, τις θερμοκρασίες, τη χημική σύσταση τους και πολλά περισσότερα. Οτιδήποτε δεν μπορούμε να εξηγήσουμε μετά από αυτά τα αποδίδουμε στα μαγνητικά πεδία", εξηγεί ο Simon Lilly, καθηγητής στο Ινστιτούτο Αστρονομίας στο Πολυτεχνείο της Ζυρίχης. Η δημιουργία των μαγνητικών πεδίων στους γαλαξίες παραμένουν ένα ανεξερεύνητο μυστήριο. Μέχρι τώρα, ξέραμε ότι οι γαλαξίες που σχηματίστηκαν μετά από το Big Bang, πριν 13,8 δισεκατομμύρια έτη, είχαν πολύ ασθενή μαγνητικά πεδία που εν συνεχεία αυξάνονταν εκθετικά σε ισχύ κατά τη διάρκεια αρκετών δισεκατομμυρίων ετών. Τουλάχιστον αυτά μας λέει η θεωρία του δυναμό, που χρησιμοποιείται συχνά για να εξηγήσει την ανάπτυξη των μαγνητικών πεδίων.

Τα μαγνητικά πεδία γύρω από δύο γαλαξίες. Ο μεγάλος είναι ο γαλαξίας whirlpool και ο μικρός το κβάζαρ OC-65.

Στατιστική προσέγγιση για την ακριβή απόδειξη

Στο περιοδικό Nature έγραψαν ένα άρθρο οι Martin Bernet, Francesco Miniati και Simon Lilly πώς εξέτασαν το θέμα των μαγνητικών πεδίων στους νεαρούς γαλαξίες. Τα αποτελέσματα τους είναι καταπληκτικά: Σε αντίθεση με το δημοφιλές μοντέλο του δυναμό, η ερευνητική ομάδα ήταν σε θέση να αποδείξει ότι ακόμη και οι πολύ νεαροί γαλαξίες έχουν ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, βάσει μιας στατιστικής ανάλυσης των υπαρχόντων και νέων αστρονομικών στοιχείων. Από τεχνικής άποψης, ο καθορισμός της ισχύος των μαγνητικών πεδίων που είναι πολλά δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη είναι δύσκολος και εξαιρετικά χρονοβόρος. Και το γεγονός αυτό είναι πιθανώς ένας λόγος για τον οποίο αυτός ο τομέας έχει ερευνηθεί πολύ λίγο.

Εντούτοις, χρησιμοποιώντας την Περιστροφή Faraday (FR) ως παράμετρο, η ισχύς ενός μαγνητικού πεδίου μπορεί να συναχθεί από την πόλωση του φωτός στο ραδιοπεδίο. Εάν ένα γραμμικά πολωμένο φως ακτινοβολεί μέσα σε ένα μαγνητισμένο νέφος αερίου, τότε το επίπεδο πόλωσης του φωτός περιστρέφεται. Η περιστροφή του επιπέδου πόλωσης είναι μεγαλύτερη όσο ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο. Αυτή η επίδραση του μαγνητικού πεδίου πάνω στο πολωμένο φως περιγράφηκε αρχικά από τον Michael Faraday το 1845. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν κβάζαρ ως πηγές ακτινοβολίας για να μετρήσουν τα μαγνητικά πεδία στους εν λόγω γαλαξίες. Τα κβάζαρ είναι εξαιρετικά φωτεινά αντικείμενα η ακτινοβολία των οποίων μπορεί κατά πάσα πιθανότητα να εξηγηθεί μέσω της παρουσίας υπερβαρέων μαύρων οπών στην καρδιά των γαλαξιών.

Παρατηρήσεις στη Χιλή

Για τις αναλύσεις τους οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μετρήσεις της Περιστροφής Faraday (Faraday Rotation) της ακτινοβολίας ορισμένων κβάζαρ. Εν συνεχεία μελέτησαν τη σχέση μεταξύ της Περιστροφής Faraday και της ερυθρής μετατόπισης (redshift) του φωτός αυτών των κβάζαρ. Στην αστρονομία, η μετατόπιση προς το ερυθρό χρησιμοποιείται για να καθορίσει την ηλικία και την απόσταση των γαλαξιών.

Τελικά, οι ερευνητές έκαναν μια διατριβή από τη στατιστική κατανομή των τιμών που αποκτήθηκαν: Η πιο έντονη παρατηρηθείσα περιστροφή του φωτός αυτών των κβάζαρ με την υψηλότερη μετατόπιση προς το ερυθρό, μπορεί να αποδοθεί στη μεγαλύτερη πιθανότητα να έρθει αυτό το φως σε επαφή με άλλους γαλαξίες, εξηγούν οι ερευνητές. Για να ελέγξουν αυτήν την υπόθεση, οι αστρονόμοι επέλεξαν 76 κβάζαρ και, χρησιμοποιώντας το Very Large Telescope (VLT) στη Χιλή, παρατήρησαν πόσες γραμμές απορρόφησης μαγνήσιου περιλαμβάνονται στα φάσματα των κβάζαρ. Ξέρουμε από παλιές μελέτες πως σχεδόν κάθε γαλαξίας κατά μήκος της ευθείας που ενώνει το τηλεσκόπιο με το κβάζαρ, εμφανίζει απορρόφηση της γραμμής του μαγνήσιου.

Έτσι οι ερευνητές ήταν ικανοί να καθορίσουν πόσοι γαλαξίες υπάρχουν μεταξύ μας και του κβάζαρ, και να εξακριβώσουν το μαγνητικό πεδίο των γαλαξιών με τη σύγκριση των τιμών της Περιστροφής Faraday της ακτίνας με και χωρίς απορρόφηση του μαγνήσιου. Για τα μαγνητικά πεδία των γαλαξιών, οι υπολογισμοί έδωσαν μια τιμή περίπου 10 μGauss. Με άλλα λόγια ένα πεδίο που είναι 1 εκατομμύρια φορές πιο ασθενές από το μαγνητικό πεδίο της Γης. Αυτό αντιστοιχεί λίγο πολύ στις τιμές του Γαλαξία μας. Τα αποτελέσματα αυτά επέτρεψαν στους ερευνητές να αποδείξουν πως και οι νεαροί, απόμακροι γαλαξίες έχουν ένα ισχυρό, μεγάλης κλίμακας μαγνητικό πεδίο.

Κι αυτό σε μία εποχή που η ηλικία του Κόσμου ήταν το 1/3 μόνο της σημερινής ηλικίας. Η αναγνώριση αυτή έρχεται σε αντίθεση με τη δημοφιλή θεωρία του δυναμό, σύμφωνα με την οποία τα μαγνητικά πεδία αυξάνουν εκθετικά κατά τη διάρκεια πολλών δισεκατομμυρίων ετών φωτός.

"Το μαγνητικό πεδίο ενός γαλαξία πρέπει να αναπτύσσεται γρηγορότερα κατά τη διάρκεια της εξέλιξής του από όσο υποθέταμε προηγουμένως. Εμφανίζεται έπειτα μια μόνιμη ισορροπία σε ένα σχετικά αρχικό στάδιο της ζωής του γαλαξία", εξηγεί ο Lilly.

Τα μαγνητικά πεδία γλιστρούν στη συνείδηση των αστρονόμων

Η επιστημονική κοινότητα είχε τις αμφιβολίες της για τη θεωρία δυναμό για αρκετό καιρό. Ο Philipp Kronberg από το πανεπιστήμιο του Τορόντο, επίσης, επανειλημμένα εξέφραζε τις ανησυχίες του όσον αφορά το υπάρχον μοντέλο του δυναμό κατά τη διάρκεια των μετρήσεων της Περιστροφής Faraday εδώ και 30 χρόνια. Η απόδειξη, εντούτοις, έλλειπε μέχρι τώρα. Σύμφωνα με τον Lilly, οι νέες μετρήσεις  προ πάντων αποκαλύπτουν την υψηλή ποιότητα των μετρήσεων του VLT και τη σαφή απάντηση στην αρχική ερώτηση, που είναι κάπως σπάνια για την αστρονομία.

Όπως επισημαίνουν οι ερευνητές στο συμπέρασμα του άρθρου τους στο Nature, τα αποτελέσματα αυτά πρέπει επίσης να οδηγήσουν στην επαναθεώρηση της υπάρχουσας πρακτικής στην αστρονομία, όπου  συχνά αγνοούνται τα μαγνητικά πεδία. Ο Lilly και η ομάδα του θα συνεχίσουν να παρατηρούν από το παράθυρο που μόλις άνοιξε και θα εξετάζουν τα μυστικά των μαγνητικών πεδίων. Στους ερευνητές έχει χορηγηθεί ήδη πρόσθετος χρόνος παρατήρησης με το τηλεσκόπιο. Τα επόμενα βήματα για μια πληρέστερη κατανόηση του "μυστηρίου του μαγνητικού πεδίου", θα είναι να αυξηθεί το δείγμα των κβάζαρ και να εντοπιστούν με ακρίβεια τα μαγνητικά πεδία στους γαλαξίες.

Η θεωρία δυναμό

Ένα δυναμό μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε μαγνητική ενέργεια. Η θεωρία του δυναμό είναι μια προσπάθεια για την εξήγηση του μηχανισμού κατά τον οποίο τα αντικείμενα στον ουρανό μπορούν να αναπτύξουν ένα μαγνητικό πεδίο. Στα αστρονομικά αντικείμενα, όπως είναι οι πλανήτες, τα αστέρια ή οι γαλαξίες, το φαινόμενο του δυναμό εμφανίζεται εάν υπάρχουν στροβιλώδη ρεύματα και επικρατεί μια ανομοιόμορφη (διαφορική) περιστροφή. Αυτό το δυναμό, που λέγεται άλφα-ωμέγα δυναμό, μπορεί να παραγάγει μεγάλης κλίμακας μαγνητικά πεδία - ακόμα κι αν το αρχικό πεδίο ήταν χαοτικό.