I en ny studie har forskare kartlagt magnetfält i galaxhopar och avslöjat effekterna av galaktiska sammanslagningar på magnetfältsstrukturer och utmanar tidigare antaganden om effektiviteten hos turbulenta dynamoprocesser i förstärkningen av dessa fält.
Galaxhopar är stora, gravitationsbundna system som innehåller många galaxer, het gas och mörk materia. De representerar några av de mest massiva strukturerna i universum. Dessa kluster kan bestå av hundratals till tusentals galaxer, sammanbundna av gravitationen, och är inbäddade i stora glorier av het gas som kallas intraklustermediet (ICM).
ICM, som huvudsakligen består av joniserat väte och helium, hålls samman av själva klustrets gravitationskraft. Magnetiska fält i storskaliga strukturer, som galaxhopar, spelar en central roll för att forma astrofysiska processer. De påverkar ICM, påverkar galaxbildning och evolution, bidrar till transport av kosmisk strålning, deltar i kosmisk magnetisering och fungerar som spårare av storskalig strukturutveckling.
Tidigare studier och simuleringar har föreslagit att magnetiska fält inom kluster utvecklas, vilket indikerar deras känslighet för klustrets dynamik och upplever förstärkning under sammanslagna händelser.
Studien, publicerad i Nature Communications , använder en metod som kallas synkrotronintensitetsgradient (SIG) för att kartlägga magnetiska fält i kluster, särskilt under galaxsammanslagningar. Denna metod ger ett unikt perspektiv på magnetfältstrukturer och erbjuder ett verktyg för att jämföra numeriska förväntningar från simuleringar med observationsdata.
Studien leddes av Yue Hu, student vid UW-Madison. Medförfattare till studien, prof. Alex Lazarian från UW-Madison, talade med Phys.org om sin motivation att studera magnetfält i galaxkluster och sa:"Fokus för min forskning ligger i att förstå magnetfältens roll i astrofysiska miljöer, särskilt i magnetiserade och turbulenta medier."
"Under de senaste två decennierna har jag i stor utsträckning studerat magnetisk turbulens och återkopplingsprocesser i samarbete med mina elever. Tekniken som används för att kartlägga magnetiska fält i galaxhopar är grundad på de teoretiska och numeriska insikter som jag fått från år av forskning."
Synkrotronintensitet hänvisar till den strålning som emitteras av laddade partiklar, vanligtvis elektroner, när de spiralerar längs magnetfältslinjer med relativistiska hastigheter. Detta fenomen är känt som synkrotronstrålning.
SIG-metoden introducerar ett unikt perspektiv genom att kartlägga magnetiska fält genom en process som är förankrad i synkrotronintensitetsgradienten. Grundprincipen bakom den tillämpade tekniken innebär att man utnyttjar växelverkan mellan magnetfält och ledande vätskor, speciellt joniserad gas eller plasma.
Nyckelidén är att magnetfält påverkar rörelsen hos dessa vätskor, och deras motstånd mot böjning gör det lättare att urskilja deras riktning. Prof. Lazarian förklarade, "Dessa rörelser resulterar i hastighetsgradienter, och magnetfältsfluktuationer är vinkelräta mot magnetfältet. Genom att mäta dessa gradienter kan man få riktningen för magnetfältet."
Detta tillvägagångssätt representerar ett nytt sätt att mäta magnetfält, utvecklat av Prof. Lazarians grupp baserat på grundläggande studier av magnetohydrodynamik.
"Den använder data som ursprungligen ansågs irrelevanta för magnetfältsstudier, vilket gör att vi kan härleda betydande resultat från olika arkivdatauppsättningar som samlats in för ändamål som inte är relaterade till magnetfältsundersökningar", säger professor Lazarian.
Forskarna skaffade kartor över magnetfält i de största skalorna som någonsin studerats, särskilt i halos av galaxer i galaxhopar.
"Vi bekräftade noggrannheten av denna teknik genom att jämföra magnetfältsriktningarna som erhålls med vår teknik med de som erhålls med den traditionella baserad på mätning av polarisation. Vi mätte också noggrannheten hos SIG med numeriska simuleringar", säger Prof. Lazarian.
Studien visade att SIG öppnar en ny väg för att kartlägga magnetiska fält över aldrig tidigare skådat stora skalor. Komplexiteten hos plasmarörelser i sammanslagna galaxhopar avslöjades genom magnetfältets struktur.
Fynden har implikationer för vår förståelse av klusterdynamik och evolution, och erbjuder unika insikter om magnetfältens roll i nyckelprocesser inom galaxkluster.
I traditionella synkrotronpolarisationsmätningar utmanar depolarisering kartläggning av magnetiska fält i galaxklusterregioner, förutom reliker. Till skillnad från andra metoder förblir SIGs opåverkade av depolarisering. Denna studie syftade till att verifiera om SIG och polarisation indikerar samma magnetfältsriktningar där polarisation förekommer.
Förste författare Ph.D. Student Yue Hu, tillsammans med de italienska forskarna Dr. Annalisa Bonafede och Dr. Chiara Stuardi, testade framgångsrikt magnetfältsmätningar inom reliker, vilket bekräftade tillförlitligheten hos SIG-magnetfältskartor. Prof. Lazarians Ph.D. Student Ka Wai Hos simuleringar av vätskedynamik bekräftade kartnoggrannheten ytterligare.
SIG ger ett unikt sätt att ta itu med långvariga frågor om ursprung, utveckling och effekter av magnetiska fält i galaxhopar utan att möta de utmaningar som traditionella mätningar gör.
SIG:er gör det också möjligt för forskare att testa och validera befintliga teorier om värmeledning i ICM och utvecklingen av kylflöden, en process som inte är förstådd.
"Värmeledning i intraklusterplasma (helt joniserad gas) av ICM reduceras avsevärt i riktningen vinkelrätt mot magnetfältet. Således beror värmens förmåga att transporteras i olika riktningar på magnetfältets struktur. Förändringarna i värme konduktivitet kontrollerar bildandet av kalla gasströmmar omgivna av het gas, de så kallade kylflödena", förklarade professor Lazarian.
Kosmiska strålar är laddade partiklar med hög energi som starkt interagerar med magnetfält i galaxkluster halos. Dr. Gianfranco Brunetti, en medförfattare till tidningen, är den ledande experten på processerna för acceleration av kosmisk strålning i galaxhopar. Han är entusiastisk över att avslöja den tidigare gåtfulla strukturen av magnetiska fält.
"Kluster av galaxer är kända för att accelerera kosmiska strålar genom växelverkan mellan kosmiska strålar och rörliga magnetfält. Bilden av denna acceleration är fortfarande oklar och beror på magnetfältets dynamik", säger professor Lazarian.
Dessutom följer kosmiska strålar banorna för magnetfältslinjer, vilket betyder att deras flykt från klustren påverkas av den specifika strukturen hos dessa magnetiska fält.
Dynamiken i magnetfälten i klustren kan nu kartläggas med hjälp av SIG-tekniken, vilket hjälper oss att förstå hur de största partikelacceleratorerna i universum fungerar.
SIG:er, med sin förmåga att kartlägga magnetfält i områden där polarisationsinformation går förlorad, erbjuder ovärderliga insikter i galaxhopars halos och ännu större synkrotronemitterande strukturer, de nyligen upptäckta Megahalos.
Gigantiska bubblor, 30 gånger volymen av den största galaktiska halo, identifierades nyligen av ett internationellt team, inklusive Dr. Brunetti från European Low-Frequency Array (LOFAR), en lågfrekvent interferometer som spänner över flera europeiska länder. Dessa strukturer, kallade SIG, tillhandahåller den enda metoden för att kartlägga magnetiska fält inom dessa enorma kosmiska bubblor med hjälp av LOFAR-data. Italienska och Wisconsin-forskare anser att denna upptäckt är ett avgörande framsteg när det gäller att avslöja de gåtfulla hemligheterna bakom universums magnetism.
När det astrofysiska samhället ivrigt väntar på att Square Kilometer Array (SKA)-teleskopet ska tas i bruk 2027, ser framtiden för magnetfältskartläggning i galaxhopar lovande ut. SKA kommer att tillhandahålla synkrotronintensitet för SIG-tekniken såväl som polarisering som kan användas av andra tekniker som utvecklats av Prof. Lazarians grupp för att studera den detaljerade 3D-strukturen av astrofysiska magnetfält.
Prof. Lazarian sa:"Gradienttekniken är en praktisk frukt av en bättre förståelse av fundamentala magnetohydrodynamiska processer, vilket driver oss att gräva djupare in i dessa väsentliga processer. Även om fördelarna med grundläggande studier kanske inte alltid är uppenbara, går framsteg när det gäller att förstå viktiga fysiska processer. processer inducerar tektoniska förändringar som påverkar många aspekter av vetenskap och teknik."
Mer information: Yue Hu et al, Synchrotron-intensitetsgradient som avslöjar magnetiska fält i galaxhopar, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45164-8.
Journalinformation: Nature Communications
© 2024 Science X Network
