Banbrytande 3D-karta över Cosmic Superbubbles magnetfält avslöjad

Kartlägg magnetfältet för den lokala bubblan

Astronomer kartlade magnetfältet för den lokala bubblan med hjälp av data som erhållits av Planck och Gaia. Här representerar de korta rosa och lila vektorlinjerna på bubblans yta orienteringen av det upptäckta magnetfältet. Bubblan finns i Vintergatans galax. Kredit: Theo O’Neill / World Telescope

Cosmic Superbubbles magnetfält kartlagt i 3D för första gången

En unik karta som kan hjälpa till att svara på decennier gamla frågor om stjärnors ursprung och påverkan av magnetiska fält i kosmos har avslöjats av astronomer i Astrofysikcenter | Harvard och Smithsonian ([{” attribute=””>CfA).

The map reveals the likely magnetic field structure of the Local Bubble — a giant, 1,000-light-year-wide hollow in space surrounding our Sun. Like a hunk of Swiss cheese, our galaxy is full of these so-called superbubbles. The explosive supernova deaths of massive stars blow up these bubbles, and in the process, concentrate gas and dust — the fuel for making new stars — on the bubbles’ outer surfaces. These thick surfaces accordingly serve as rich sites for subsequent star and planet formation.

Scientists’ overall understanding of superbubbles, however, remains incomplete. With the new 3D magnetic field map, researchers now have novel information that could better explain the evolution of superbubbles, their effects on star formation and on galaxies writ large.


Forskare har avslöjat den första kartan i sitt slag över ett magnetfält i rymden. Specifikt kartlade teamet magnetfältet för vår lokala bubbla i 3D. Den nya strategin för att spåra magnetiserade strukturer i 3D kommer att hjälpa till att svara på nyckelfrågor om påverkan av magnetiska fält i kosmos. Kredit: T. O’Neill, A. Goodman, J. Soler, J. Han och C. Zucker

“Att montera denna 3D-karta över den lokala bubblan kommer att hjälpa oss att undersöka superbubblor på nya sätt”, säger Theo O’Neill, som ledde kartläggningsinsatsen under ett sponsrat 10-veckors sommarforskningsexperiment. av NSF till CfA medan han fortfarande var student . till University of Virginia (UVA).

“Rymden är full av dessa superbubblor som utlöser bildandet av nya stjärnor och planeter och påverkar galaxernas övergripande former”, fortsätter O’Neill, som tog examen från AVU i december 2022 med en examen i astronomi-fysik och statistik. “Genom att lära oss mer om de exakta mekanismerna som driver den lokala bubblan, som solen lever i idag, kan vi lära oss mer om superbubblors utveckling och dynamik i allmänhet.”

Tillsammans med sina kollegor presenterade O’Neill resultaten vid American Astronomical Societys 241:a årliga möte onsdagen den 11 januari i Seattle, Washington. Interaktiva 3D-figurer och ett förtryck av forskningen finns för närvarande på Författare. Forskningen utfördes vid CfA under mentorskap av Harvard-professorn och CfA-astronomen Alyssa Goodman, i samarbete med Catherine Zucker, en före detta doktorand i astronomi från Harvard, Jesse Han, en doktorand från Harvard, och Juan Soler, en expert på magnetfältet i Rom.

“Ur ett grundläggande fysiskt perspektiv har vi länge vetat att magnetfält måste spela en viktig roll i många astrofysiska fenomen”, säger Goodman, som skrev sin doktorsavhandling om vikten av kosmiska magnetfält där för trettio år sedan. “Men att studera dessa magnetfält har varit notoriskt svårt. Svårigheter håller mig borta från magnetfältsarbete, men då lockar nya observationsverktyg, beräkningsmetoder och entusiastiska kollegor mig igen. bild av hur universum fungerar, från rörelser av små dammfläckar till dynamiken i galaxhopar.

Den lokala bubblan har blivit ett hett ämne inom astrofysik som superbubblan där solen och vårt solsystem nu bor. År 2020 utarbetades 3D-geometrin för den lokala bubblan initialt av forskare baserade i Grekland och Frankrike. Sedan 2021, Zucker, nu av Space Telescope Science InstituteGoodman, João Alves från universitetet i Wien och deras team har visat att Ytan på den lokala bubblan är källan till alla närliggande unga stjärnor.

Dessa studier, liksom den nya 3D-magnetfältskartan, förlitade sig delvis på data från Gaiaett rymdobservatorium uppskjutet av European Space Agency (ESA). Samtidigt som man mäter stjärnornas positioner och rörelser, har Gaia också använts för att sluta sig till var kosmiskt stoft finns, plotta dess lokala koncentrationer och visa de ungefärliga gränserna för den lokala bubblan.

Dessa data kombinerades av O’Neill och kollegor med data från Planka, ett annat ESA-ledt rymdteleskop. Planck, som genomförde en all-sky-undersökning från 2009 till 2013, var i första hand utformad för att observera[{” attribute=””>Big Bang’s relic light. In the process, the spacecraft compiled measurements of microwave wavelength light from all over the sky. The researchers used a portion of Planck observations that trace emission from dust within the Milky Way relevant to helping map the Local Bubble’s magnetic field.

Specifically, the observations of interest consisted of polarized light, meaning light that vibrates in a preferred direction. This polarization is produced by magnetically aligned dust particles in space. The alignment of the dust in turn speaks to the orientation of the magnetic field acting upon the dust particles.

Mapping the magnetic field lines in this way enabled researchers working on the Planck data to compile a 2D map of the magnetic field projected on to the sky as seen from Earth. In order to morph or “de-project” this map into three spatial dimensions, the researchers made two key assumptions: First, that most of the interstellar dust producing the polarization observed lies in the Local Bubble’s surface. And, second, that theories predicting that the magnetic field would be “swept up” into the bubble’s surface as it expands are correct.

O’Neill subsequently carried out the complicated geometrical analysis needed to create the 3D magnetic field map during the summer CfA internship.

Goodman likens the research team to pioneering mapmakers who created some of the first maps of Earth.

“We’ve made some big assumptions to create this first 3D map of a magnetic field; it’s by no means a perfect picture,” she says. “As technology and our physical understanding improve, we will be able to improve the accuracy of our map and hopefully confirm what we are seeing.”

The 3D view of magnetic whorls that emerged represent the magnetic field structure of our neighborhood superbubble, if the field was indeed swept-up into the bubble’s surface, and if most of the polarization is produced there.

The research team further compared the resulting map to features along the Local Bubble’s surface. Examples included the Per-Tau Shell, a giant spherical region of star formation, and the Orion molecular cloud complex, another prominent stellar nursery. Future studies will examine the associations between magnetic fields and these and other surface features.

“With this map, we can really start to probe the influences of magnetic fields on star formation in superbubbles,” says Goodman. “And for that matter, get a better grasp on how these fields influence numerous other cosmic phenomena.”

Because magnetic fields only affect the movement and orientation of charged particles in astrophysical environments, Goodman says there has been a tendency to set aside the fields’ influence when building simulations and theories where gravity — which acts on all matter — is the primary force at play. Further discouraging its inclusion, magnetism can be a fiendishly complex force to model.

This omission of magnetic fields’ influence, while understandable, often leaves out a key factor controlling motions of gas in the universe. These motions include gas flowing onto stars as they form, and flowing away from stars in powerful jets emanating from them as they gather matter into a planet-forming disk. Even if the effect of magnetic fields is minuscule from moment to moment in the low-density environments where stars form, given the millions-of-year timescales it takes to gather gas and turn it into stars, magnetic effects can plausibly add up to something substantial over time.

Goodman, O’Neill, and their colleagues look forward to finding out.

“I’ve had a great experience doing this research at CfA and assembling something new and exciting with this 3D magnetic map,” says O’Neill. “I hope this map is a starting point for expanding our understanding of the superbubbles throughout our galaxy.”

Support for this work was provided by the National Science Foundation, NASA, and the Gordon and Betty Moore Foundation.

About the 3D Milky Way Project

This research is part of an ongoing collaboration amongst several open-source software projects working together to create a 3D map of the Milky Way galaxy. The software packages, including glue, OpenSpace, and AAS WorldWide Telescope, are interconnected via API-like interfaces, and they access a wide variety of open data sets, including those from Planck and Gaia. Learn more about the 3D Milky Way project, which includes a collaboration with staff at the Hayden Planetarium at the American Museum of Natural History, where some results will be showcased, at MilkyWay3D.org. The 3D interactive figures in the Authorea preprint sharing this work are made possible via additional free software, including plot.ly and PyVista.

About the Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian

The Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian is a collaboration between Harvard and the Smithsonian designed to ask—and ultimately answer—humanity’s greatest unresolved questions about the nature of the universe. The Center for Astrophysics is headquartered in Cambridge, MA, with research facilities across the U.S. and around the world.

Leave a Comment