Forskere kortlægger de største magnetiske felter i galaksehobe ved hjælp af synkrotronintensitetsgradient

I en ny undersøgelse har forskere kortlagt magnetiske felter i galaksehobe, hvilket afslører virkningen af ​​galaktiske fusioner på magnetiske feltstrukturer og udfordrer tidligere antagelser om effektiviteten af ​​turbulente dynamoprocesser i forstærkningen af ​​disse felter.

Galaksehobe er store, gravitationsbundne systemer, der indeholder talrige galakser, varm gas og mørkt stof. De repræsenterer nogle af de mest massive strukturer i universet. Disse hobe kan bestå af hundreder til tusindvis af galakser, bundet sammen af ​​tyngdekraften, og er indlejret i enorme glorier af varm gas kaldet intracluster medium (ICM).

ICM, der hovedsageligt består af ioniseret brint og helium, holdes sammen af ​​selve klyngens tyngdekraft. Magnetiske felter i storskalastrukturer, som galaksehobe, spiller en central rolle i udformningen af ​​astrofysiske processer. De påvirker ICM, påvirker galaksedannelsen og evolutionen, bidrager til transport af kosmisk stråle, deltager i kosmisk magnetisering og fungerer som sporere af storskala strukturudvikling.

Tidligere undersøgelser og simuleringer har antydet, at magnetiske felter i klynger udvikler sig, hvilket indikerer deres modtagelighed over for klyngens dynamik og oplever forstærkning under sammensmeltende begivenheder.

Undersøgelsen, offentliggjort i Nature Communications , bruger en metode kaldet synkrotronintensitetsgradient (SIG) til at kortlægge magnetiske felter i klynger, især under galaksefusioner. Denne metode giver et unikt perspektiv på magnetfeltstrukturer og tilbyder et værktøj til at sammenligne numeriske forventninger fra simuleringer med observationsdata.

Undersøgelsen blev ledet af Yue Hu, studerende ved UW-Madison. Medforfatter af undersøgelsen, prof. Alex Lazarian fra UW-Madison, talte til Phys.org om hans motivation for at studere magnetiske felter i galaksehobe og sagde:"Fokuset for min forskning ligger i at forstå magnetfelternes rolle i astrofysiske miljøer, især i magnetiserede og turbulente medier."

"I løbet af de sidste to årtier har jeg i vid udstrækning studeret magnetisk turbulens og genforbindelsesprocesser i samarbejde med mine elever. Teknikken, der bruges til at kortlægge magnetiske felter i galaksehobe, er funderet i den teoretiske og numeriske indsigt opnået fra mange års forskning."

Synkrotronintensitetsgradient

Synkrotronintensitet refererer til den stråling, der udsendes af ladede partikler, typisk elektroner, når de spiraler langs magnetiske feltlinjer med relativistiske hastigheder. Dette fænomen er kendt som synkrotronstråling.

SIG-metoden introducerer et unikt perspektiv ved at kortlægge magnetiske felter gennem en proces forankret i synkrotronintensitetsgradienten. Grundprincippet bag den anvendte teknik involverer at udnytte vekselvirkningerne mellem magnetiske felter og ledende væsker, specifikt ioniseret gas eller plasma.

Nøgleideen er, at magnetiske felter påvirker bevægelsen af ​​disse væsker, og deres modstand mod bøjning gør det lettere at skelne deres retning. Prof. Lazarian forklarede:"Disse bevægelser resulterer i hastighedsgradienter, og magnetiske feltudsving er vinkelrette på magnetfeltet. Ved at måle disse gradienter kan man få retningen af ​​magnetfeltet."

Denne tilgang repræsenterer en ny måde at måle magnetiske felter på, udviklet af Prof. Lazarians gruppe baseret på fundamentale studier af magnetohydrodynamik.

"Den bruger data, der oprindeligt blev anset for irrelevante for magnetfeltstudier, hvilket giver os mulighed for at udlede betydelige resultater fra forskellige arkivdatasæt indsamlet til formål, der ikke er relateret til magnetfeltundersøgelser," sagde prof. Lazarian.

Kortlægning af magnetiske felter

Forskerne opnåede kort over magnetiske felter på de største skalaer, der nogensinde er blevet undersøgt, specifikt i galaksernes glorier i galaksehobe.

"Vi bekræftede nøjagtigheden af ​​denne teknik ved at sammenligne magnetfeltretningerne opnået med vores teknik med dem opnået med den traditionelle baseret på polariseringsmåling. Vi målte også nøjagtigheden af ​​SIG'er med numeriske simuleringer," sagde prof. Lazarian.

Undersøgelsen viste, at SIG'er åbner en ny vej til at kortlægge magnetiske felter over hidtil uset store skalaer. Kompleksiteten af ​​plasmabevægelser i fusionerende galaksehobe blev afsløret gennem strukturen af ​​det magnetiske felt.

Resultaterne har implikationer for vores forståelse af klyngens dynamik og evolution og giver unik indsigt i magnetfelternes rolle i nøgleprocesser inden for galaksehobe.

Overvinde depolarisering

I traditionelle synkrotronpolariseringsmålinger udfordrer depolarisering kortlægningen af ​​magnetiske felter i galaksehobeområder, bortset fra relikvier. I modsætning til andre metoder forbliver SIG'er upåvirket af depolarisering. Denne undersøgelse havde til formål at verificere, om SIG'er og polarisering indikerer de samme magnetfeltretninger, hvor polarisering er til stede.

Førsteforfatter Ph.D. studerende Yue Hu, sammen med de italienske videnskabsmænd Dr. Annalisa Bonafede og Dr. Chiara Stuardi, testede med succes magnetfeltmålinger inden for relikvier, hvilket bekræftede pålideligheden af ​​SIG-magnetfeltkort. Prof. Lazarians ph.d. studerende Ka Wai Ho's flydende dynamik-simuleringer bekræftede yderligere kortnøjagtigheden.

SIG'er giver en unik måde at løse mangeårige spørgsmål om oprindelsen, udviklingen og virkningerne af magnetiske felter i galaksehobe uden at stå over for de udfordringer, som traditionelle målinger gør.

Varmeledning i ICM

SIG'er giver også forskere mulighed for at teste og validere eksisterende teorier om varmeledning i ICM og udviklingen af ​​kølestrømme, en proces, der er dårligt forstået.

"Varmeledning i intracluster plasma (fuldt ioniseret gas) af ICM er væsentligt reduceret i retningen vinkelret på magnetfeltet. Således afhænger varmes evne til at blive transporteret i forskellige retninger af magnetfeltets struktur. Ændringerne i varme ledningsevne kontrollerer dannelsen af ​​kolde gasstrømme omgivet af varm gas, de såkaldte kølestrømme," forklarede prof. Lazarian.

Kosmisk stråleacceleration

Kosmiske stråler er højenergiladede partikler, der interagerer stærkt med magnetiske felter i galaksehobe-haloer. Dr. Gianfranco Brunetti, en medforfatter af papiret, er den førende ekspert i processerne for kosmisk stråleacceleration i galaksehobe. Han er begejstret for at afsløre den tidligere gådefulde struktur af magnetiske felter.

"Klynger af galakser er kendt for at accelerere kosmiske stråler gennem samspillet mellem kosmiske stråler og bevægelige magnetfelter. Billedet af denne acceleration er stadig uklart og afhænger af magnetfelternes dynamik," sagde prof. Lazarian.

Derudover følger kosmiske stråler magnetfeltlinjernes veje, hvilket betyder, at deres flugt fra klyngerne er påvirket af den specifikke struktur af disse magnetiske felter.

Dynamikken af ​​magnetfelterne i klyngerne kan nu kortlægges ved hjælp af SIG-teknikken, hvilket hjælper os med at forstå driften af ​​de største partikelacceleratorer i universet.

Afsluttende tanker

SIG'er giver med deres evne til at kortlægge magnetiske felter i områder, hvor polarisationsinformation går tabt, uvurderlig indsigt i galaksehobe og endnu større synkrotron-emitterende strukturer, de nyligt opdagede Megahalos.

Gigantiske bobler, 30 gange volumen af ​​den største galaktiske halo, blev for nylig identificeret af et internationalt hold, herunder Dr. Brunetti fra European Low-Frequency Array (LOFAR), et lavfrekvent interferometer, der spænder over flere europæiske lande. Disse strukturer, omtalt som SIG'er, giver den eneste metode til at kortlægge magnetiske felter i disse enorme kosmiske bobler ved hjælp af LOFAR-data. Italienske og Wisconsin-forskere betragter denne opdagelse som et afgørende fremskridt med hensyn til at afdække de gådefulde hemmeligheder bag universets magnetisme.

Mens det astrofysiske samfund spændt afventer Square Kilometer Array (SKA)-teleskopets idriftsættelse i 2027, ser fremtiden for magnetfeltkortlægning i galaksehobe lovende ud. SKA vil give synkrotronintensitet til SIG-teknikken såvel som polarisering, der kan anvendes af andre teknikker udviklet af Prof. Lazarians gruppe til at studere den detaljerede 3D-struktur af astrofysiske magnetiske felter.

Prof. Lazarian sagde:"Gradientteknikken er en praktisk frugt af en bedre forståelse af fundamentale magnetohydrodynamiske processer, der driver os til at dykke dybere ned i disse væsentlige processer. Selvom fordelene ved grundlæggende undersøgelser måske ikke altid er umiddelbart synlige, er fremskridt i forståelsen af ​​vigtige fysiske processer. processer inducerer tektoniske ændringer, der påvirker mange aspekter af videnskab og teknik."

Flere oplysninger: Yue Hu et al., Synchrotron-intensitetsgradient, der afslører magnetiske felter i galaksehobe, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45164-8.

Journaloplysninger: Nature Communications

© 2024 Science X Network