Das Magnetfeld der kosmischen Superblase erstmals in 3D abgebildet

Astronomen im Zentrum für Astrophysik | Harvard & Smithsonian (CfA) haben eine einzigartige Karte enthüllt, die helfen könnte, jahrzehntealte Fragen über den Ursprung von Sternen und die Einflüsse von Magnetfeldern im Kosmos zu beantworten.

Die Karte verrät das Wahrscheinliche Magnetfeld Struktur der lokalen Blase – ein riesiger, 1.000 Lichtjahre breiter Trog im Raum um unsere Sonne. Wie ein Stück Schweizer Käse wimmelt es in unserer Galaxie von diesen sogenannten Superbubbles. Der explosive Tod massereicher Sterne in einer Supernova ließ diese Blasen platzen und konzentrierte dabei Gas und Staub – den zu erzeugenden Brennstoff neue Sterne– An den Außenflächen der Bläschen. Diese dicken Oberflächen dienen daher als reiche Orte für die nachfolgende Bildung von Sternen und Planeten.

Das Gesamtverständnis der Wissenschaftler über Superblasen bleibt jedoch unvollständig. Mit dem neue 3D-MagnetfeldkarteForscher haben jetzt neue Informationen, die die Entwicklung von Superblasen, ihre Auswirkungen auf die Sternentstehung und auf Galaxien im Allgemeinen besser erklären könnten.

„Das Zusammenstellen dieser 3D-Karte der lokalen Blase wird uns helfen, Superblasen auf neue Weise zu untersuchen“, sagt Theo O’Neill, der die Kartierungsbemühungen während eines von der NSF gesponserten 10-wöchigen Sommerforschungsexperiments am CfA leitete, als er noch Student war . an der Universität von Virginia (UVA).

„Der Weltraum ist voll von diesen Superblasen, die die Bildung neuer Sterne und Planeten auslösen und die Gesamtformen von Galaxien beeinflussen“, fährt O’Neill fort, der im Dezember 2022 seinen Abschluss in Astronomie-Physik und Statistik an der AVU machte. „Indem wir mehr über die genauen Mechanismen erfahren, die die lokale Blase antreiben, in der die Sonne heute lebt, können wir mehr über die Entwicklung und Dynamik von Superblasen im Allgemeinen erfahren.“

Zusammen mit seinen Kollegen präsentierte O’Neill die Ergebnisse auf der 241. Jahrestagung der American Astronomical Society am Mittwoch, den 11. Januar in Seattle, Washington. Interaktive 3D-Figuren und ein Vorabdruck der Forschung sind derzeit auf Autorea verfügbar. Die Forschung wurde am CfA unter der Leitung der Harvard-Professorin und CfA-Astronomin Alyssa Goodman in Zusammenarbeit mit der Harvard-Doktorandin Catherine Zucker durchgeführt. ehemaliger Student der Astronomie, Jesse Han, Inhaber eines Doktortitels von Harvard. Student und Juan Soler, ein Magnetfeldexperte in Rom.

„Aus physikalischer Sicht wissen wir seit langem, dass Magnetfelder bei vielen astrophysikalischen Phänomenen eine wichtige Rolle spielen müssen“, sagt Goodman, der seinen Ph.D. Doktorarbeit über die Bedeutung kosmischer Magnetfelder vor dreißig Jahren. „Aber das Studium dieser Magnetfelder war notorisch schwierig. Die Schwierigkeit hält mich von der Magnetfeldarbeit ab, aber dann locken mich neue Beobachtungsinstrumente, Berechnungsmethoden und begeisterte Kollegen erneut. Computersimulationen und himmelsweite Messwerte könnten endlich gut genug sein, um damit zu beginnen, Magnetfelder wirklich in unser größeres Bild der Funktionsweise des Universums zu integrieren, von den Bewegungen winziger Staubkörner bis zur Dynamik von Galaxienhaufen.

Die lokale Blase ist als Superblase, in der sich die Sonne und unser Sonnensystem jetzt befinden, zu einem heißen Thema in der Astrophysik geworden. Im Jahr 2020 wurde die 3D-Geometrie der lokalen Blase zunächst von Forschern aus Griechenland und Frankreich ausgearbeitet. Dann, im Jahr 2021, zeigten Zucker, jetzt vom Space Telescope Science Institute, Goodman, João Alves von der Universität Wien und ihr Team, dass die Die Oberfläche der lokalen Blase ist die Quelle aller nahegelegenen jungen Sterne.

Diese Studien sowie die neue 3D-Magnetfeldkarte stützten sich teilweise auf Daten von Gaia, ein Weltraumobservatorium, das von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ins Leben gerufen wurde. Bei der Messung der Positionen und Bewegungen von Sternen wurde Gaia auch verwendet, um die Position von kosmischem Staub abzuleiten, seine lokalen Konzentrationen darzustellen und die ungefähren Grenzen der lokalen Blase anzuzeigen.

Diese Daten wurden von O’Neill und Kollegen mit Daten von kombiniert Planke, ein weiteres von der ESA geführtes Weltraumteleskop. Planck, der von 2009 bis 2013 eine Himmelsdurchmusterung durchführte, war in erster Linie darauf ausgelegt, Reliktlicht des Urknalls zu beobachten. Dabei stellte das Raumschiff Messungen von Licht im Mikrowellenbereich aus dem ganzen Himmel zusammen. Die Forscher nutzten einige von Plancks Beobachtungen, die relevante Staubemissionen der Milchstraße verfolgen, um dabei zu helfen, das Magnetfeld der lokalen Blase zu kartieren.

Konkret bestanden die interessierenden Beobachtungen aus polarisiertem Licht, also aus Licht, das in einer Vorzugsrichtung schwingt. Diese Polarisation wird durch magnetisch ausgerichtete Staubpartikel im Weltraum erzeugt. Die Staubausrichtung wiederum gibt die Ausrichtung des auf die Staubpartikel einwirkenden Magnetfeldes an.

Karte der Magnetfeldlinien ermöglichte Forschern, die an Planck-Daten arbeiteten, eine 2D-Karte des Magnetfelds zu erstellen, das von der Erde aus in den Himmel projiziert wird. Um diese Karte in drei räumliche Dimensionen umzuwandeln oder zu “de-projizieren”, machten die Forscher zwei Hauptannahmen: Erstens, dass sich der größte Teil des interstellaren Staubs, der die beobachtete Polarisation erzeugt, auf der Oberfläche der lokalen Blase befindet. Und zweitens, dass die Theorien, die vorhersagen, dass das Magnetfeld in die Oberfläche der Blase „weggefegt“ würde, wenn sie sich ausdehnt, richtig sind.

O’Neill führte dann die komplizierte geometrische Analyse durch, die zur Erstellung der 3D-Magnetfeldkarte während des CfA-Sommerpraktikums erforderlich war.

Goodman vergleicht das Forschungsteam mit Pionierkartographen, die einige der frühesten Karten der Erde erstellt haben.

„Wir haben einige große Annahmen getroffen, um diese erste 3D-Karte eines Magnetfelds zu erstellen; es ist keineswegs ein perfektes Bild“, sagt sie. “Wenn sich die Technologie und unser physikalisches Verständnis verbessern, können wir die Genauigkeit unserer Karte verbessern und hoffentlich bestätigen, was wir sehen.”

Die 3D-Ansicht der entstandenen Magnetspulen stellt die dar Magnetfeld Struktur unserer benachbarten Superblase, wenn das Feld tatsächlich an der Oberfläche der Blase gefegt wurde und dort die meiste Polarisation auftritt.

Das Forschungsteam verglich dann die resultierende Karte mit Merkmalen entlang der Oberfläche der lokalen Blase. Beispiele waren die Per-Tau-Muscheleine riesige kugelförmige Region der Sternentstehung, und die Orion Molekularwolkenkomplex, eine weitere prominente Sternentstehungsstätte. Zukünftige Studien werden die Zusammenhänge zwischen Magnetfeldern und diesen Elementen und anderen Oberflächenmerkmalen untersuchen.

„Mit dieser Karte können wir wirklich anfangen, die Einflüsse von Magnetfeldern zu untersuchen Sternentstehung in wunderschönen Blasen“, sagt Goodman. „Und lernen Sie außerdem besser zu verstehen, wie diese Felder viele andere kosmische Phänomene beeinflussen.“

Da Magnetfelder nur die Bewegung und Ausrichtung geladener Teilchen in astrophysikalischen Umgebungen beeinflussen, gibt es laut Goodman eine Tendenz, den Einfluss von Feldern bei der Erstellung von Simulationen und Theorien zu vernachlässigen, bei denen die Schwerkraft – die auf alle Materie einwirkt – die Hauptkraft im Spiel ist. Magnetismus kann eine teuflisch komplexe Kraft sein, die es zu modellieren gilt, was seine Einbeziehung weiter entmutigt.

Diese Auslassung des Einflusses von Magnetfeldern ist zwar verständlich, übersieht aber oft einen Schlüsselfaktor, der die Gasbewegungen im Universum steuert. Zu diesen Bewegungen gehört, dass Gas über Sterne fließt, während sie sich bilden, und von Sternen in mächtigen Jets wegfließt, die von ihnen ausgehen, wenn sie Material in einer planetenbildenden Scheibe sammeln. Obwohl die Wirkung von Magnetfeldern in den Umgebungen mit geringer Dichte, in denen sich Sterne bilden, von Moment zu Moment winzig ist, können sich die magnetischen Effekte angesichts der Zeitskalen von Millionen von Jahren, die es dauert, um das Gas zu sammeln und es in Sterne umzuwandeln, vermutlich summieren . zu etwas Wesentlichem im Laufe der Zeit.

Goodman, O’Neill und ihre Kollegen wollen es unbedingt herausfinden.

„Ich hatte eine großartige Erfahrung mit dieser Forschung am CfA und der Zusammenstellung von etwas Neuem und Aufregendem mit dieser 3D-Magnetkarte“, sagt O’Neill. „Ich hoffe, diese Karte ist ein Ausgangspunkt, um unser Verständnis von Superblasen in unserer Galaxie zu erweitern.“