At spiralgalakser har magnetiske felter har været kendt i godt over et halvt århundrede (og forudsigelser om, at de skulle eksistere, blev fundet forud for opdagelsen i flere år), og nogle galakseres magnetiske felter er kortlagt meget detaljeret.
Men hvordan kom disse magnetfelter til at have de egenskaber, som vi observerer dem? Og hvordan vedvarer de?
Et nyligt papir fra de britiske astronomer Stas Shabala, James Mead og Paul Alexander kan indeholde svar på disse spørgsmål med fire fysiske processer, der spiller en nøglerolle: tilføjelse af kølig gas på disken, supernova-feedback (disse to øger den magnetohydrodynamiske turbulens), stjernedannelse (dette fjerner gas og dermed turbulent energi fra den kolde gas) og differentiel galaktisk rotation (dette overfører kontinuerligt feltenergi fra det usammenhængende tilfældige felt til et ordnet felt). Der er dog behov for mindst en anden nøgleproces, fordi astronomernes modeller er uforenelige med de observerede felter i massive spiralgalakser.
”Radiosynkrotronemission af højenergi-elektroner i det interstellare medium (ISM) indikerer tilstedeværelsen af magnetiske felter i galakser. Rotationsmålinger (RM) af baggrundspolariserede kilder indikerer to varianter af felt: et tilfældigt felt, som ikke er sammenhængende i skalaer, der er større end ISM's turbulens; og et spiralordnet felt, der udviser storstilet sammenhæng, ”skriver forfatterne. ”For en typisk galakse har disse felter styrker på et par μG. I en galakse såsom M51 observeres det sammenhængende magnetfelt at være forbundet med de optiske spiralarme. Sådanne felter er vigtige i stjernedannelse og fysik i kosmiske stråler og kan også have en indvirkning på galakseudviklingen, men spørgsmålene om deres oprindelse, udvikling og struktur forbliver stort set uløste, trods deres betydning.
Dette felt inden for astrofysik gør hurtige fremskridt med forståelse af, hvordan det tilfældige felt genereres, først er blevet rimeligt veletableret i det sidste årti (det er genereret af turbulens i ISM, modelleret som en enfaset magnetohydrodynamisk (MHD) væske, inden for hvilken magnetfeltlinjer er frosset). På den anden side har produktionen af det store felt ved at vikle de tilfældige felter til en spiral ved differentiel rotation (en dynamo) været kendt meget længere.
Detaljerne om, hvordan det bestilte felt i spiraler dannet som de galakser selv dannede sig - inden for et par hundrede millioner år efter afkoblingen af baryonisk stof og stråling (der gav anledning til den kosmiske mikrobølgebakgrund, vi ser i dag) - bliver ved at blive testet disse hypoteser er endnu ikke muligt observationsmæssigt (meget få højrødskift-galakser er blevet undersøgt i det optiske og NIR, periode, så meget mindre har fået kortlagt deres magnetiske felter i detaljer).
”Vi præsenterer det første (til vores viden) forsøg på at inkludere magnetiske felter i en selvkonsequent galakseformations- og udviklingsmodel. Et antal galakseegenskaber er forudsagt, og vi sammenligner disse med tilgængelige data, ”siger Shabala, Mead og Alexander. De begynder med en analytisk galaksdannelses- og udviklingsmodel, der “sporer gasafkøling, stjernedannelse og forskellige feedbackprocesser i en kosmologisk kontekst. Modellen gengiver samtidig de lokale galakseegenskaber, universets stjernedannelseshistorie, udviklingen af stjernemassefunktionen til z ~ 1,5 og den tidlige opbygning af massive galakser. ” Centralt i modellen er ISMs turbulente kinetiske energi og den tilfældige magnetiske feltenergi: de to bliver lige på tidsskalaer, der er øjeblikkelige på kosmologiske tidsskalaer.
Driverne er således de fysiske processer, der indspringer energi i ISM, og som fjerner energi fra det.
”En af de vigtigste kilder til energiinjektion i ISM er supernovaer,” skriver forfatterne. "Stjernedannelse fjerner turbulent energi," som du kunne forvente, og gas ", der hæver sig fra den mørke stof-halo, deponerer sin potentielle energi i turbulens." I deres model er der kun fire frie parametre - tre beskriver effektiviteten af de processer, der tilføjer eller fjerner turbulens fra ISM, og en, hvor hurtigt ordrede magnetfelter opstår fra tilfældige.
Er Shabala, Mead og Alexander begejstrede for deres resultater? Du er dommeren: ”To lokale prøver bruges til at teste modellerne. Modellen gengiver magnetfeltstyrker og radiolyslysitet gennem en lang række galakser med lav og mellemmasse. ”
Og hvad mener de at er nødvendigt for at redegøre for de detaljerede astronomiske observationer af spiralgalakser med høj masse? "Medtagelse af gasudkast ved kraftige AGN'er er nødvendigt for at slukke gasafkøling."
Det siger sig selv, at den næste generation af radioteleskoper - EVLA, SKA og LOFAR - vil underkaste alle modeller af magnetiske felter i galakser (ikke kun spiraler) for meget strengere test (og endda muliggøre hypoteser om dannelsen af disse felter, for over 10 milliarder år siden, der skulle testes).
Kilde: Magnetiske felter i galakser: I. Radioskiver i lokale galakser af sen type
