Pole magnetyczne w Kosmosie nie jest niczym dziwnym: jego obecność wykrywana jest w za­równo na niewielkich, skalistych planetach, jak i w rozciągających się na miliony lat świetlnych otocz­kach wokół gromad galaktyk. Jest to byt nie tylko powszechny, ale też niezmiernie ważny: choć niewidoczne gołym okiem, to właśnie pole magnetyczne w znacznym stopniu steruje ewolucją galaktyk, umożliwia – albo wręcz blokuje! – formację gwiazd, utrzymuje „w ryzach” naładowane cząstki wyrzucane w dżetach kwazarów. Nasza wiedza o polach magnetycznych, choć wciąż posze­rzana, dalej jest stosunkowo uboga – w szczególności, jeśli chodzi o jego strukturę w naszej Galak­tyce, czy też możliwości magnetyzacji szerokich obszarów pozornie pustej przestrzeni kosmicznej przez obiekty już namagnesowane.

Kwintet Stephana w całej okazałości. Odkryty w 1877 roku, został już kiedyś zdegradowany do roli kwartetu, a potem znów awansowany. Spośród pięciu galaktyk widocznych na ilustracji, tylko czte­ry są jego częścią; ta widoczna na południu znajduje się około 8 razy bliżej, a piąty składnik grupy leży nieco bardziej na lewo od krawędzi mapy. Wyrysowane kontury ukazują rozległość radiowej otoczki Kwintetu; jest ona jeszcze większa, niż „ekran” i zawiera w przeważającej większości pola chaotyczne i uporządkowane, pozostałość po burzliwej historii tej niewielkiej grupy.

Pole magnetyczne w Kosmosie może być regularne, uporządkowane lub chaotyczne. Naj­częściej spotyka się je w tej ostatniej konfiguracji, pozbawione jakiejkolwiek wyróżnionej orientacji. Pole takie potra­fi ciągnąć się na ogromnych obszarach, tworząc swoistą magnetyczną zupę, w której za­nurzone są pojedyncze galaktyki, a nawet całe ich układy. Stosunkowo rzadsze jest pole uporządko­wane: o wy­różnionym kierunku, ale nie zwrocie; powstaje, gdy pole chaotyczne ulega rozciąganiu, lub ściskaniu w wyniku oddziaływań pomiędzy galaktykami. Te pola również potrafią zajmować ogrom­ne obsza­ry: łukowate relikty spotykane w gromadach galaktyk nierzadko osiągają setki tysięcy kilo­metrów. Najrzadsze są pola całkowicie regularne: posiadają wyróżniony zarówno kierunek, jak i zwrot. Ich wytworzenie jest wyjątkowo trudne: najczęściej potrzebny jest do tego mechanizm dyna­ma magne­tohydrodynamicznego. Ten pracuje efektywnie w niewielkiej części galaktyk, głównie spiralnych (ale też i nie wszystkich; niektóre nieregularne też to potrafią). Powstałe w wyniku jego działania pole utrzymuje się w dysku galaktycznym, a na zewnątrz wydostaje praktycznie tylko w wyniku wyciągania gazu (w który jest wmrożone) podczas oddziaływań. Ponieważ jednak struktura poza dys­kiem z łatwością ulega rozrywa­niu, to jedynymi struk­turami regularnie namagnesowane poza galaktykami  są wąskie, wyciągnięte ramiona spiral­ne; nawet jeśli sięgają kilkudziesięciu tysięcy lat świetlnych długości, to ich „szerokość”, czy „gru­bość” nie przekracza kilku tysięcy. Podobnie jest z ogonami powstałymi w wyniku „wypychania” materii przez supernowe: proces taki nie skutkuje tworzeniem się rozległych obszarów regularnie namagne­sowanych poza galaktykami.

Zespół naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego i CSIRO w Australii  opublikował właśnie pracę, która opisuje ogromną, regularnie namagnesowaną strukturę w niewielkiej, zwartej grupie galaktyk – Kwintecie Stephana. Obiekt ten uchodzi za modelowy układ w swojej klasie – galaktyki wcho­dzące w jego skład oddziałują ze sobą, wyciągając materię w przestrzeń wewnątrz grupy lub nawet poza samą grupę. Analiza regularnego pola magnetycznego przeprowadzona została przy użyciu metody syntezy miary rotacji (Ro­tation Measure Synthesis), polegającej na badaniu zmienności kąta polaryzacji w szerokim, dobrze próbkowanym obszarze widma radiowego. Zmiana kąta oznacza skręcenie płaszczyzny polaryzacji przychodzącej fali – dzieje się tak w obecności regularnego pola magnetycznego wzdłuż linii wzroku źródło-obserwator (efekt Faradaya). Obserwacje Kwintetu ujawniają, że źródła radiowe znajdujące się w obszarze grupy, lub za nią znajdują się w obszarze jednej, konsy­stentnej, regularnie namagnesowanej struktury. Badania sugerują, że obserwacji praktycznie nie da się wytłumaczyć, jeśli strukturę tę umieścimy wewnątrz Drogi Mlecznej; przeczyłoby to wszelkim znanym modelom naszej Galaktyki. Stąd też jedynym miejscem, gdzie może się ona znajdować, są okolice Kwintetu. Wygląda na to, że jest to swoisty „ekran” magnetyczny, długi na co najmniej 200 tysięcy lat świetlnych, szeroki na co najmiej 130 tysięcy lat świetlnych i „głęboki” na co najmniej 65 tysięcy lat świetlnych. Jest to największa znana, regularnie namagnesowana struktura we Wszechświecie i jedyna odkryta poza pojedynczymi galaktykami, bądź ich parami.  Co więcej – póki co nie ma pewności, w jaki sposób powstała. Najprawdopodobniej jest to materia wyciągnięta z jednej z galaktyk Kwintetu – ciężko jednak wyobrazić sobie, jaki musiałby być przebieg oddziały­wań, żeby uzyskać byt tak rozległy przestrzennie.

Te niepozorne wykresy stanowią najważniejszą część pracy: obrazowy dowód na istnienie jednej, rozległej, regularnie namagnesowanej struktury magnetycznej w Kwintecie Stephana. Prezentują one zależność siły sygnału w zależności od tzw. głębokości Faradayowskiej (Faraday Depth, FD). Pik poniżej zera reprezentuje sygnał z Drogi Mlecznej, ten powyżej – sygnał przypisany okolicom Kwintetu Stephana. Oszacowanie (niektórych!) parametrów napotkanego pola regularnego możliwe jest na podstawie analizy odległości między poszczególnymi pikami (im większa, tym silniejsze pole), położeniu poniżej, bądź powyżej zera na osi FD (zwrot pola w stosunku do obserwatora oraz ewentualna jego zmiana), czy też przynależności do konkretnej struktury (o tej mówimy, gdy wy­kresy dla kilku różnych punktów na niebie mają taki sam układ pików: zbliżona odległość między nimi, czy też pozycja w przestrzeni Faradaya). Spośród wszystkich zarejestrowanych obiektów w okolicach Kwintetu, te znajdujące się w nim, bądź też za nim mają bardzo podobną konfigurację pików w przestrzeni Faradaya; te poza obszarem grupy wyglądają zupełnie inaczej.

Odpowiedź na te pytania może przynieść planowana już, ponowna wizyta w Kwintecie: dzięki już pozyskanym danym z innych instrumentów (w tym z interferometru LOFAR – najnowocze­śniejszego, paneuropejskiego radioteleskopu pracującego na falach metrowych, którego istotną część stanowią 3 polskie stacje) możliwe będzie jeszcze dokładniejsze przebadanie śladów regular­nego pola i określenie jego parametrów. W szczególności – być może uda się znaleźć jego źródło, albo choćby wskazówki, czym tak naprawdę jest niespodziewanie wykryty, namagnesowany „ekran”.

A Large-scale, Regular Intergalactic Magnetic Field Associated with Stephan's Quintet?, Błażej Ni­kiel-Wroczyński¹, Marian Soida¹, George Heald², Marek Urbanik¹, The Astrophysical Journal, 2020, 898, 110, https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab9d89

¹ Astronomical Observatory of the Jagiellonian University, ul. Orla 171, 30-244 Kraków, Polska

² CSIRO Astronomy and Space Science, P.O. Box 1130, Bentley, WA 6102, Australia

Błażej Nikiel-Wroczyński