Dzięki satelicie Planck naszym oczom ukazał się nowy obraz przedstawiający pole magnetyczne Drogi Mlecznej. Uzyskano go z pierwszych kompleksowych obserwacji spolaryzowanego światła emitowanego przez powszechnie obecny w naszej Galaktyce pył międzygwiezdny.

Światło jest dobrze znaną formą energii, a mimo to pewne jego własności nadal umykają intuicji i doświadczeniu. Jedną z nich jest polaryzacja – przedmiot badań astronomów, który dostarcza wielu informacji o tym, co działo się z fotonem podczas jego wędrówki przez dany ośrodek.

Światło można opisać jako zbiór fal elektromagnetycznych. Każda taka fala składa się z pojawiających się na przemian pól elektrycznego i magnetycznego, które drgają w kierunkach prostopadłych do siebie nawzajem i prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Zazwyczaj pola te oscylują we wszystkich orientacjach. Natomiast, jeżeli przypadkowo zdarzy się, że istnieje preferowany kierunek tych drgań, to mówimy, że światło jest spolaryzowane. Polaryzacja może mieć miejsce np. kiedy światło odbija się od powierzchni odbijających takich jak lustro albo morze. Istnieją także specjalne filtry, które absorbują spolaryzowane światło. Wykorzystuje się je chociażby w okularach przeciwsłonecznych.

W kosmosie światło emitowane przez gwiazdy, gaz i pył może być polaryzowane na wiele sposobów. Wykonując pomiary wielkości polaryzacji światła astronomowie mogą badać fizyczne procesy za nią odpowiedzialne. W szczególności polaryzacja może dostarczyć informacji o istnieniu i właściwościach pól magnetycznych w ośrodku, przez który poruszało się światło.

Oprócz tego, że zawiera setki miliardów gwiazd, nasza galaktyka jest wypełniona mieszanką gazów i pyłów – surowca, z którego rodzą się gwiazdy. Nawet jeśli drobne ziarna pyłu są bardzo zimne, to i tak mogą emitować promieniowanie o długościach fal z przedziału od podczerwieni do mikrofal. Jeśli ziarna nie są symetryczne, to duża część wysyłanego przez nie promieniowania oscyluje równolegle do długich osi tych ziaren, tworząc światło spolaryzowane. Gdyby kierunki drgań całej chmury pyłu były przypadkowe, to w ogóle nie byłoby polaryzacji. Jednak w wyniku kolizji z fotonami i szybko poruszającymi się atomami kosmiczne ziarna pyłu niemal zawsze wirują z częstotliwością dziesiątek milionów razy na sekundę. Oprócz tego, pod wpływem pola magnetycznego działającego na obłoki międzygwiezdne, rotujące ziarna pyłu preferują obrót wokół długiej osi prostopadłej do kierunku tego pola. W rezultacie dochodzi do polaryzacji emitowanego światła, którą następnie można zmierzyć. Astronomowie używają spolaryzowanego światła pochodzącego z ziaren pyłu międzygwiezdnego do poznawania struktury pola magnetycznego galaktyk, a w szczególności do ustalenia kierunków linii pola magnetycznego zrzutowanych na płaszczyznę nieba.

Wiry, łuki i pętle nakreślają strukturę pola magnetycznego naszej rodzinnej galaktyki – Drogi Mlecznej. Ciemne rejony na obrazie Plancka oznaczają miejsca, gdzie emisja spolaryzowanego światła jest najsilniejsza. Prążki wskazują nam kierunek pola magnetycznego zrzutowanego na płaszczyznę nieba. Pole magnetyczne Drogi Mlecznej jest oczywiście trójwymiarowe, zatem jego kierunek może być trudny do odczytania, ponieważ linie pola są ułożone chaotycznie wzdłuż linii patrzenia. To tak jakby spoglądać na splątany kłębek nici i próbować dostrzec jakąś regularność. Jednak na obrazie satelity widać, że w niektórych obszarach galaktycznego pola magnetycznego występuje uporządkowanie na dużą skalę. Ciemny obszar biegnący poziomo przez centrum galaktyki odpowiada jej płaszczyźnie. Tutaj polaryzacja zachowuje regularną postać na dużych skalach kątowych, co wynika z faktu, że linie pola magnetycznego są przeważnie równoległe do płaszczyzny Galaktyki. Dane ujawniają także zmiany kierunku polaryzacji wewnątrz pobliskich chmur gazu i pyłu. Można to dostrzec w splątanych tworach powyżej i poniżej płaszczyzny, gdzie lokalne pole magnetyczne jest szczególnie chaotyczne.

Badanie pola magnetycznego Drogi Mlecznej nie jest jedynym powodem dla którego naukowcy interesują się tymi danymi. Za dominującą emisją spolaryzowanego światła ukrywa się pierwotny sygnał Mikrofalowego Promieniowania Tła – najstarszego promieniowania we Wszechświecie. Jasność Mikrofalowego Promieniowanie Tła została wyznaczona przez Plancka z niesłychaną dokładnością. Obecnie naukowcy zajmują się analizą danych, aby następnie zmierzyć stopień polaryzacji tego światła. Jest to jeden z głównych celów misji Planck, ponieważ może dostarczyć dowodów na obecność fal grawitacyjnych zaraz po narodzinach Wszechświata.

W marcu 2014 r. naukowcy biorący udział w eksperymencie BICEP2 Kosmiczna inflacja potwierdzona?“>stwierdzili, że odnaleźli pierwszy sygnał świadczący o istnieniu fal grawitacyjnych w danych zebranych za pomocą teleskopu naziemnego obserwującego skrawek nieba w jednej częstotliwości mikrofalowej. Ich wyniki opierają się na założeniu, że w tym kawałku nieba spolaryzowana emisja naszej Galaktyki jest zaniedbywalnie mała, pomiary satelity Planck są zatem niezbędne do właściwej oceny wyników zespołu BICEP2. Jeszcze w tym roku naukowcy zajmujący się satelitą Planck opublikują pokrywające całe niebo dane pochodzące z obserwacji spolaryzowanego światła. Wyniki pomiarów w siedmiu różnych częstotliwości na pewno pozwolą astronomom oddzielić szumy od słabego pierwotnego spolaryzowanego sygnału. Umożliwi to o wiele dokładniejsze zbadanie wczesnej historii kosmosu – od czasów kiedy Wszechświat istniał zaledwie ułamek sekundy do narodzin pierwszych gwiazd, kilkaset milionów lat później.

Trochę o satelicie Planck:

Wystrzelony w 2009 r. satelita Planck został zaprojektowany pod kątem stworzenia mapy nieba w 9 częstotliwościach. W tym celu korzystał z dwóch nowoczesnych instrumentów: Instrumentu Niskiej Częstotliwości, który zawiera 3 pasma częstotliwości w zakresie 30-70 GHz oraz Instrumentu Wysokiej Częstotliwości, który składa się z sześciu pasm o częstotliwości 100-857 GHz. Ten drugi zakończył badania w 2012 r. podczas, gdy przyrząd od niższych częstotliwości kontynuował obserwacje aż do października 2013 r.

Siedem z dziewięciu kanałów częstotliwości satelity Planck zostało wyposażone we wrażliwe detektory polaryzacyjne. Obraz mapy powstał w oparciu o dane zebrane przy częstotliwości 353 GHz.

Autor

Katarzyna Więcek