Toata lumea stie ca Pamantul este magnetic. Campul magnetic al Pamantului actioneaza ca un scut care ne protejeaza impotriva particulelor solare energetice si a celor interstelare – magnetismul Pamantului este vital pentru navigatie, atat pentru oameni, cat si pentru multe alte specii. S-a stabilit deja ca stelele, planetele, galaxiile si chiar gazul interstelar difuz sunt, de asemenea, magnetice. Acest magnetism cosmic nu poate fi atribuit magnetilor permanenti cum sunt cei pe care ii stim noi, ci este atribuit miscarilor unor nori uriasi si subtiri de gaz, care sunt incarcati electric. Magnetismul cosmic se intinde pe un interval enorm in toata puterea sa, variind cu un factor de o suta de miliarde intre campurile magnetice slabe din spatiul interstelar si magnetismul extrem gasit pe suprafata stelelor prabusite. Deoarece aceste campuri magnetice cosmice sunt omniprezente, ele joaca un rol vital in controlarea modului in care sursele ceresti se formeaza, evolueaza si imbatranesc.
Provocarea in studierea magnetismului cosmic consta in faptul ca, in timp ce stelele si galaxiile pot fi vazute in mod direct datorita luminii pe care o emit, campurile magnetice sunt invizibile chiar si pentru cele mai mari telescoape. Prin urmare, astronomii trebuie sa utilizeze o serie de metode indirecte pentru a studia magnetismul. De exemplu, se stie ca emisia sincrotrona este produsa atunci cand electronii care se misca foarte rapid sunt prinsi in campurile magnetice, la fel ca planetele care sunt prinse de gravitatia soarelui. Daca vedem un corp ceresc care afiseaza emisii sincrotrone, stim ca acest obiect trebuie sa fie magnetic si ii putem folosi proprietatile pentru a determina cat de puternic este magnetismul sau si in ce directie ar arata un compas daca ne-am afla aproape de el.
Rotatia Faraday si rolul sau in studierea magnetismului
O problema legata de aceasta abordare este faptul ca multe obiecte magnetice din spatiu nu sunt indeajuns de energetice pentru a produce emisii sincrotrone detectabile. Insa magnetismul lor poate fi studiat prin intermediul unui efect remarcabil cunoscut sub numele de “rotatia Faraday”, unde lumina polarizata de la o stea de fundal se schimba atunci cand trece printr-un obiect in care este prezent un magnetism semnificativ. Schimbarea este subtila, implicand unghiul la care sunt inclinate undele luminoase vibrante, insa poate fi masurata cu ajutorul telescoapelor radio si poate fi utilizata pentru a calcula forta campului magnetic al obiectului din prim-plan.
Studierea magnetismului cosmic in acest fel este relativ usor. Cu toate acestea, de multe ori aceasta tehnica este greu de aplicat, deoarece se intampla rar ca o galaxie sau un nor de gaz sa se afle pe aceeasi linie vizuala cu un obiect de fundal luminos, pentru ca rotatia Faraday sa fie detectata. Incercarea de a studia magnetismul cosmic in acest fel este ca si cum cineva ar efectua un studiu de mediu al unui lac mare doar prin introducerea unui deget in apa intr-un singur loc. Cu siguranta aceasta abordare nu va fi niciodata in stare sa ne ofere imaginea de ansamblu.
Seria de Kilometri Patrati (SKA) – un nou instrument de detectare a campurilor magnetice
Deoarece Seria de Kilometri Patrati (SKA) va fi cu mult mai sensibila decat telescoapele actuale, aceasta va putea fi utilizata pentru a revolutiona studiul campurilor magnetice din spatiu. Daca indreptam SKA spre orice regiune a cerului, vom detecta emisii radio de la mii de galaxii slab iluminate indepartate, raspandite pe tot cerul ca niste fire de nisip. Spatiile dintre aceste galaxii vor fi atat mici, incat va putea fi utilizata rotatia Faraday pe emisiile radio polarizate pentru a se efectua studii detaliate ale magnetismului multor obiecte din prim-plan. Chiar daca se va dori studierea unui nor de gaz relativ mic, vor exista sute de galaxii de fundal a caror lumina va straluci prin acesta, permitandu-le astronomilor sa construiasca o imagine detaliata a magnetismului norului.
Aceasta tehnica noua le va permite astronomilor sa abordeze mai multe intrebari fara raspuns. Care este forma si puterea campului magnetic in Calea Lactee si cum se compara acesta cu magnetismul din alte galaxii? Universul este magnetic la nivel general? Daca este asa, magnetismul universului a afectat modul in care stelele individuale si galaxiile se formeaza? Si, in cele din urma, de unde provine tot acest magnetism? Toate acestea sunt intrebari la care oamenii de stiinta spera sa poata raspunde cu ajutorul capacitatilor unice si fascinante pe care le poseda SKA. Se stie ca exista magneti peste tot in spatiu, insa, cu ajutorul lui SKA, vom intelege cum arata acesti magneti, de unde provin si ce rol au jucat in evolutia universului.
Intelegerea universului este imposibila fara intelegerea campurilor magnetice. Acestea umplu spatiul intracluster si interstelar, afecteaza evolutia galaxiilor si a clusterelor de galaxii, contribuie in mod semnificativ la presiunea totala a gazului interstelar, sunt esentiale pentru debutul formarii stelelor si controleaza densitatea si distributia razelor cosmice in mediul interstelar. Dar, in ciuda importantei lor, originea campurilor magnetice inca este o problema in fizica si astrofizica fundamentala. Este posibil sa fi existat campuri primordiale semnificative inaintea primelor stele si galaxii? Daca nu, cand si cum au fost generate campurile magnetice? Ce mentine campurile magnetice actuale ale galaxiilor, stelelor si planetelor?
Emisia sincrotrona si masuratorile rotatiei Faraday
Cele mai puternice sonde ale campurilor magnetice astrofizice sunt undele radio. Emisia sincrotrona masoara intensitatea campului, in timp ce polarizarea sa genereaza orientarea campului in planul ceresc si ofera gradul de comanda al campului. Rotatia Faraday produce o imagine tridimensionala completa prin furnizarea de informatii cu privire la componenta campului de-a lungul liniei de vedere, in timp ce efectul Zeeman asigura o masurare independenta a fortei campului in norii reci de gaz.
Cu toate acestea, masurarea campurilor magnetice cosmice este un subiect dificil aflat inca in faza incipienta, limitata la obiectele apropiate sau luminoase. Prin sensibilitatea unica si rezolutia Seriei de Kilometri Patrati, fereastra catre universul magnetic poate fi deschisa in cele din urma. In afara de intrebarile pe care le putem pune astazi, este important sa tinem minte ca SKA va descoperi cu siguranta noi fenomene magnetice, dincolo de ceea ce putem prezice la ora actuala. Platforma principala pe care se vor baza studiile asupra magnetismului cosmic efectuate de SKA va fi un Studiu de Masurare a Rotatiei pe intreg cerul, in care un an de observare va produce masuratori ale rotatiei Faraday pentru surse polarizate extragalactice compacte
Acest set de date va oferi o grila de masuratori ale rotatiei pe tot cerul, la o distanta de numai 20-30 secunde de arc intre surse – multe dintre aceste surse vor avea deplasari spre rosu de la SDSS (Sloan Digital Sky Survey) si succesorii sai. Aceasta grila de masuratori ale rotatiei va fi un instrument puternic pentru studierea campurilor magnetice din prim-plan, la toate deplasarile spre rosu. In cazul Caii Lactee si a galaxiilor si clusterelor din apropiere, cartografierea de inalta sensibilitate a emisiei sincrotrone polarizate, combinata cu determinarea masuratorilor de rotatie pentru emisii extinse, le va permite oamenilor de stiinta sa obtina harti tridimensionale detaliate ale fortei, structurii si proprietatilor turbulente ale campului magnetic in aceste surse, care pot fi comparate cu previziunile diferitelor modele pentru generarea campului magnetic.
Deplasarea spre rosu si campurile magnetice
La deplasari spre rosu intermediare, emisia polarizata de la galaxii va fi adesea prea slaba pentru a fi detectata in mod direct, insa campurile magnetice ale acestor surse pot fi urmarite prin masuratorile rotatiei pe care le produc in grila de fundal polarizata. Acest lucru va permite studii detaliate ale configuratiei campului magnetic al obiectelor individuale in epocile timpurii – compararea cu studii ale galaxiilor locale va permite intelegerea modului in care structurile magnetizate evolueaza si se amplifica pe masura ce galaxiile se maturizeaza. In plus, din punct de vedere statistic, numarul mare de masuratori ale rotatiei obtinute de la galaxiile interveniente si amortizoarele Ly-alfa le va permite oamenilor de stiinta sa distinga intre modelele concurente pentru evolutia galaxiilor si a campului magnetic, ca o functie a deplasarii spre rosu.
La deplasari spre rosu mai mari, oamenii de stiinta vor profita de sensibilitatea celor mai profunde campuri SKA, in care acestia se asteapta sa detecteze emisia sincrotrona de la cele mai tinere galaxii si protogalaxii. Masuratorile rotatiei celor mai indepartate obiecte polarizate (de exemplu, explozii de raze gamma si quasari dincolo de epoca reionizarii) pot constrange fortele campului magnetic la cea mai timpurie epoca de formare a galaxiilor si pot ajuta la distingerea dintre originile primordiale si cele de insamantare ale campurilor magnetice din ziua de azi. Utilizand sensibilitatea unica a lui SKA, oamenii de stiinta ar putea chiar sa masoare rotatia Faraday fata de radiatia cosmica de fond produsa de campurile magnetice primordiale.
Cautarea campurilor magnetice in mediul intergalactic este fundamentala. Tot spatiul gol poate fi magnetizat, fie prin ejectii din galaxii, prin lobi relicva ale galaxiilor radio sau ca parte a structurii retelei cosmice. Un asemenea camp nu a fost inca detectat, insa rolul sau drept campul samanta probabil pentru galaxii si clustere, plus perspectiva ca acest camp magnetic al mediului intergalactic ar putea urmari si reglementa formarea structurii in universul timpuriu, acorda o importanta considerabila descoperirii sale.
Acest camp magnetic omniprezent poate fi in cele din urma identificat prin studiul de mai sus. Asa cum functia de corelatie a galaxiilor produce spectrul de putere a materiei, functia de corelatie similara a acestei distributii a masuratorilor rotatiei poate oferi spectrul de putere magnetica a mediului intergalactic, ca o functie a epocii cosmice si pe o gama larga de scale spatiale. Asemenea masuratori le vor permite oamenilor de stiinta sa dezvolte un model detaliat al geometriei campului magnetic al mediului intergalactic si al intregului univers.
