Att spiralgalaxer har magnetfält har varit känt i över ett halvt sekel (och förutsägelser om att de borde existera föregick upptäckten under flera år), och vissa galaxers magnetfält har kartlagts i detalj.
Men hur fick dessa magnetfält de egenskaper vi observerar dem att ha? Och hur fortsätter de?
Ett nyligen uppsats av de brittiska astronomerna Stas Shabala, James Mead och Paul Alexander kan innehålla svar på dessa frågor, med fyra fysiska processer som spelar en nyckelroll: infall av sval gas på skivan, supernova-feedback (dessa två ökar den magnetohydrodynamiska turbulensen), stjärnbildning (detta tar bort gas och därmed turbulent energi från den kalla gasen) och differentiell galaktisk rotation (detta överför kontinuerligt fältenergi från det sammanhängande slumpmässiga fältet till ett ordnat fält). Åtminstone en annan nyckelprocess behövs dock, eftersom astronomernas modeller stämmer överens med de observerade fälten i massiva spiralgalaxer.
”Radiosynkrotronemission av högenergi-elektroner i det interstellära mediet (ISM) indikerar förekomsten av magnetfält i galaxer. Rotationsåtgärder (RM) för bakgrundspolariserade källor indikerar två fältvarianter: ett slumpmässigt fält, som inte är sammanhängande på skalor större än ISM: s turbulens; och ett spiralordnat fält som uppvisar storskalig koherens, ”skriver författarna. ”För en typisk galax har dessa fält styrkor på några μG. I en galax som M51 observeras det sammanhängande magnetfältet att vara associerat med de optiska spiralarmarna. Sådana fält är viktiga för stjärnbildning och fysik i kosmiska strålar, och kan också ha en effekt på galaxutvecklingen, men trots deras betydelse förblir frågor om deras ursprung, utveckling och struktur i stort sett olösta. "
Detta fält inom astrofysik gör snabba framsteg, med förståelse för hur det slumpmässiga fältet genereras har blivit ganska väl etablerat under det senaste decenniet eller så (det genereras av turbulens i ISM, modellerat som en enfas magnetohydrodynamisk (MHD) vätska, inom vilken magnetfältlinjer är frusna). Å andra sidan har produktionen av det stora fältet genom lindning av slumpmässiga fält till en spiral, genom differentiell rotation (en dynamo), varit känt mycket längre.
Detaljerna om hur det ordnade fältet i spiraler som bildades som de galaxerna själva bildades - inom några hundra miljoner år efter frikopplingen av baryoniskt material och strålning (som gav upphov till den kosmiska mikrovågsbakgrunden vi ser idag) - blir tydliga, men tester dessa hypoteser är ännu inte möjliga, iakttagande (mycket få galaxer med hög rödväxling har studerats i den optiska och NIR, perioden, än mindre har fått sina magnetiska fält kartlagt i detalj).
”Vi presenterar det första försöket (till vår kunskap) att inkludera magnetfält i en självkonsistent galaxbildnings- och utvecklingsmodell. Ett antal galaxegenskaper förutspås och vi jämför dessa med tillgängliga data, säger Shabala, Mead och Alexander. De börjar med en analytisk galaxbildnings- och utvecklingsmodell, som ”spårar gaskylning, stjärnbildning och olika feedbackprocesser i ett kosmologiskt sammanhang. Modellen reproducerar samtidigt de lokala galaxegenskaperna, stjärnbildningshistorien för universum, utvecklingen av den stella massfunktionen till z ~ 1,5 och den tidiga uppbyggnaden av massiva galaxer. ” Central för modellen är ISM: s turbulenta kinetiska energi och den slumpmässiga magnetfältenergin: de två blir lika på tidsskalor som är momentana på kosmologiska tidsskalor.
Drivarna är alltså de fysiska processerna som injicerar energi i ISM och som tar bort energi från den.
"En av de viktigaste källorna till energiinjektion i ISM är supernovaer," skriver författarna. "Stjärnbildningen tar bort turbulent energi", som du kan förvänta dig, och gas "som hämtar sig från den mörka materiehalogen sätter sin potentiella energi i turbulens." I deras modell finns det bara fyra fria parametrar - tre beskriver effektiviteten hos processerna som lägger till eller tar bort turbulens från ISM, och en hur snabbt ordnade magnetfält uppstår från slumpmässiga sådana.
Är Shabala, Mead och Alexander glada över sina resultat? Du är domaren: ”Två lokala prover används för att testa modellerna. Modellen reproducerar magnetfältstyrkor och radioljusstyrka över ett brett spektrum av låg- och medelmassa galaxer. ”
Och vad tror de behövs för att redogöra för de detaljerade astronomiska observationerna av spiralgalaxer med hög massa? "Inkludering av gasutkastning genom kraftfulla AGN är nödvändigt för att släcka gaskylning."
Det säger sig självt att nästa generation av radioteleskop - EVLA, SKA och LOFAR - kommer att underkasta alla modeller av magnetfält i galaxer (inte bara spiraler) för mycket strängare test (och till och med möjliggöra hypoteser om bildandet av dessa fält, för över 10 miljarder år sedan, för att testas).
Källa: Magnetfält i galaxer: I. Radioskivor i lokala galaxer av sen typ
