Dat spiraalstelsels magnetische velden hebben, is al meer dan een halve eeuw bekend (en voorspellingen dat ze zouden moeten bestaan voordat ze meerdere jaren ontdekt zouden zijn), en de magnetische velden van sommige sterrenstelsels zijn tot in detail in kaart gebracht.
Maar hoe kregen deze magnetische velden de kenmerken die we waarnemen? En hoe blijven ze bestaan?
Een recent artikel van de Britse astronomen Stas Shabala, James Mead en Paul Alexander bevat mogelijk antwoorden op deze vragen, waarbij vier fysische processen een sleutelrol spelen: instroom van koel gas op de schijf, supernovafeedback (deze twee verhogen de magnetohydrodynamische turbulentie), stervorming (dit verwijdert gas en dus turbulente energie uit het koude gas) en differentiële galactische rotatie (dit draagt continu veldenergie over van het onsamenhangende willekeurige veld naar een geordend veld). Er is echter nog minstens één ander belangrijk proces nodig, omdat de modellen van de astronomen niet consistent zijn met de waargenomen velden van massieve spiraalstelsels.
“Radiosynchrotronemissie van hoogenergetische elektronen in het interstellaire medium (ISM) duidt op de aanwezigheid van magnetische velden in sterrenstelsels. Rotatiemetingen (RM) van achtergrond gepolariseerde bronnen duiden op twee veldsoorten: een willekeurig veld, dat niet coherent is op schalen die groter zijn dan de turbulentie van de ISM; en een spiraalvormig veld dat grootschalige coherentie vertoont ”, schrijven de auteurs. “Voor een typisch sterrenstelsel hebben deze velden een sterkte van enkele μG. In een sterrenstelsel als M51 wordt waargenomen dat het coherente magnetische veld geassocieerd is met de optische spiraalarmen. Dergelijke velden zijn belangrijk bij stervorming en de fysica van kosmische straling, en kunnen ook een effect hebben op de evolutie van sterrenstelsels, maar ondanks hun belang blijven vragen over hun oorsprong, evolutie en structuur grotendeels onopgelost. ”
Dit veld in de astrofysica vordert snel, met inzicht in hoe het willekeurige veld wordt gegenereerd dat het redelijk goed ingeburgerd is geraakt in het laatste decennium of zo (het wordt gegenereerd door turbulentie in de ISM, gemodelleerd als een eenfasige magnetohydrodynamische (MHD) vloeistof, waarin magnetische veldlijnen zijn bevroren). Aan de andere kant is de productie van het grootschalige veld door het wikkelen van de willekeurige velden tot een spiraal, door differentiële rotatie (een dynamo), al veel langer bekend.
De details van hoe het geordende veld in spiralen zich vormden terwijl die sterrenstelsels zich vormden - binnen een paar honderd miljoen jaar na de ontkoppeling van baryonische materie en straling (die aanleiding gaf tot de kosmische microgolfachtergrond die we vandaag zien) - worden duidelijk, hoewel testen deze hypothesen zijn observerend nog niet mogelijk (zeer weinig sterrenstelsels met hoge roodverschuiving zijn bestudeerd in de optische en NIR-periode, laat staan dat hun magnetische velden in detail in kaart zijn gebracht).
“We presenteren de eerste (voor zover wij weten) poging om magnetische velden op te nemen in een zelfconsistent sterrenstelsel en evolutie model. Er worden een aantal eigenschappen van sterrenstelsels voorspeld en we vergelijken deze met de beschikbare gegevens ”, zeggen Shabala, Mead en Alexander. Ze beginnen met een analytisch model voor de vorming en evolutie van sterrenstelsels, dat 'gaskoeling, stervorming en verschillende feedbackprocessen in een kosmologische context traceert. Het model reproduceert tegelijkertijd de eigenschappen van de lokale melkwegstelsels, de geschiedenis van de stervorming van het heelal, de evolutie van de stellaire massafunctie tot z ~ 1,5 en de vroege opbouw van massieve sterrenstelsels. ” Centraal in het model staan de turbulente kinetische energie van de ISM en de energie van het willekeurige magnetische veld: de twee worden gelijk op tijdschalen die ogenblikkelijk zijn op kosmologische tijdschalen.
De drijfveren zijn dus de fysieke processen die energie in de ISM injecteren en die er energie uit verwijderen.
'Een van de belangrijkste bronnen van energie-injectie in de ISM zijn supernova's', schrijven de auteurs. "Stervorming verwijdert turbulente energie", zoals je zou verwachten, en gas dat door de donkere materiehalo wordt geaccumuleerd, zet zijn potentiële energie af in turbulentie. " In hun model zijn er slechts vier vrije parameters - drie beschrijven de efficiëntie van de processen die turbulentie toevoegen aan of verwijderen uit de ISM, en een hoe snel geordende magnetische velden ontstaan uit willekeurige.
Zijn Shabala, Mead en Alexander enthousiast over hun resultaten? U bent de rechter: “Er worden twee lokale monsters gebruikt om de modellen te testen. Het model reproduceert magnetische veldsterktes en radiolichtsterktes goed over een breed scala van sterrenstelsels met lage en middelzware massa. ”
En wat is volgens hen nodig om rekening te houden met de gedetailleerde astronomische waarnemingen van spiraalvormige sterrenstelsels met een hoge massa? "Opname van gasuitstoot door krachtige AGN's is nodig om gaskoeling te blussen."
Het spreekt voor zich dat de volgende generatie radiotelescopen - EVLA, SKA en LOFAR - alle modellen van magnetische velden in sterrenstelsels (niet alleen spiralen) aan veel strengere tests zal onderwerpen (en zelfs hypothesen over de vorming van die velden mogelijk zal maken, meer dan 10 miljard jaar geleden getest).
Bron: Magnetische velden in sterrenstelsels: I. Radiodisks in lokale laat-type sterrenstelsels
