Изображение магнитного поля в скоплении Эль-Гордо с высоким разрешением, включая рентгеновское изображение Чандры (синяя часть изображения), инфракрасное изображение НАСА JWST (фоновые галактики изображения) и измеренные магнитные поля (линии тока). ). Авторы и права: Рентгеновский снимок Чандры: НАСА/CXC/Рутгерс; JWST инфракрасный: НАСА/ЕКА/ККА; Линии магнитного поля: Юэ Ху.
В новом исследовании ученые нанесли на карту магнитные поля в скоплениях галактик, выявив влияние слияний галактик на структуры магнитного поля и бросив вызов предыдущим предположениям об эффективности турбулентных процессов динамо в усилении этих полей.
Скопления галактик — это большие гравитационно связанные системы, содержащие множество галактик, горячий газ и темную материю. Они представляют собой одни из самых массивных структур во Вселенной. Эти скопления могут состоять из сотен и тысяч галактик, связанных между собой гравитацией, и окружены огромными гало горячего газа, называемыми внутрикластерной средой (ВСК).
ICM, состоящий в основном из ионизированного водорода и гелия, удерживается гравитационным притяжением самого скопления. Магнитные поля в крупномасштабных структурах, таких как скопления галактик, играют ключевую роль в формировании астрофизических процессов. Они влияют на МЦМ, влияют на формирование и эволюцию галактик, способствуют переносу космических лучей, участвуют в космическом намагничивании и служат индикаторами крупномасштабной эволюции структур.
Предыдущие исследования и моделирование показали, что магнитные поля внутри скоплений меняются, что указывает на их восприимчивость к динамике скопления и усиление во время событий слияния.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, используется метод, называемый градиентом синхротронной интенсивности (SIG), для картирования магнитных полей в скоплениях, особенно во время слияний галактик. Этот метод обеспечивает уникальный взгляд на структуры магнитного поля и предлагает инструмент для сравнения численных ожиданий моделирования с данными наблюдений.
Ведущий автор исследования, профессор Алекс Лазарян из Университета Вашингтона в Мэдисоне, рассказал Phys.org о своей мотивации к изучению магнитных полей в скоплениях галактик, сказав: «Цель моего исследования заключается в понимании роли магнитных полей в астрофизических средах. , особенно в намагниченных и турбулентных средах».
«За последние два десятилетия я тщательно изучал магнитную турбулентность и процессы пересоединения в сотрудничестве со своими студентами. Методика, используемая для картирования магнитных полей в скоплениях галактик, основана на теоретических и численных знаниях, полученных в результате многолетних исследований».
Градиент синхротронной интенсивности
Интенсивность синхротрона относится к излучению, испускаемому заряженными частицами, обычно электронами, когда они вращаются вдоль силовых линий магнитного поля с релятивистскими скоростями. Это явление известно как синхротронное излучение.
Метод SIG открывает уникальную перспективу, отображая магнитные поля с помощью процесса, основанного на градиенте интенсивности синхротрона. Основной принцип применяемой техники заключается в использовании взаимодействия между магнитными полями и проводящими жидкостями, в частности ионизированным газом или плазмой.
Ключевая идея заключается в том, что магнитные поля влияют на движение этих жидкостей, а их сопротивление изгибу облегчает определение их направления. Профессор Лазариан объяснил: «Эти движения приводят к градиентам скорости, а флуктуации магнитного поля перпендикулярны магнитному полю. Измеряя эти градиенты, можно получить направление магнитного поля».
Этот подход представляет собой новый способ измерения магнитных полей, разработанный группой профессора Лазаряна на основе фундаментальных исследований магнитогидродинамики.
«Он использует данные, которые изначально считались нерелевантными для исследований магнитного поля, что позволяет нам получать важные результаты из различных наборов архивных данных, собранных для целей, не связанных с исследованиями магнитного поля», — сказал профессор Лазариан.
Картирование магнитных полей
Исследователи получили карты магнитных полей в самых больших масштабах, когда-либо изученных, особенно в гало галактик внутри скоплений галактик.
«Мы подтвердили точность этого метода, сравнив направления магнитного поля, полученные с помощью нашего метода, с направлениями, полученными с помощью традиционного метода, основанного на измерении поляризации. Мы также оценили точность SIG с помощью численного моделирования», — сказал профессор Лазариан.
Исследование показало, что SIG открывают новые возможности для картирования магнитных полей в беспрецедентно больших масштабах. Сложность движения плазмы внутри сливающихся скоплений галактик была выявлена через структуру магнитного поля.
Результаты имеют значение для нашего понимания динамики и эволюции скоплений, предлагая уникальное понимание роли магнитных полей в ключевых процессах внутри скоплений галактик.
Преодоление деполяризации
При традиционных измерениях синхротронной поляризации деполяризация затрудняет картирование магнитных полей в областях скоплений галактик, за исключением реликтов. В отличие от других методов, SIG не подвержены деполяризации. Целью этого исследования было проверить, указывают ли SIG и поляризация на одни и те же направления магнитного поля, где присутствует поляризация.
Первый автор к.т.н. студент Юэ Ху вместе с итальянскими учеными доктором Аннализой Бонафеде и доктором Кьярой Стюарди успешно протестировали измерения магнитного поля внутри реликвий, подтвердив надежность карт магнитного поля SIG. Доктор философии профессора Лазаряна. Моделирование динамики жидкости, проведенное студентом Ка Вай Хо, еще раз подтвердило точность карты.
SIG предоставляют уникальный способ ответить на давние вопросы о происхождении, эволюции и влиянии магнитных полей в скоплениях галактик, не сталкиваясь с проблемами, с которыми сталкиваются традиционные измерения.
Теплопроводность в ИКМ
SIG также позволяют исследователям тестировать и подтверждать существующие теории относительно теплопроводности в ICM и развития охлаждающих потоков — малопонятного процесса.
«Теплопроводность во внутрикластерной плазме (полностью ионизованном газе) ИКМ существенно снижается в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Таким образом, способность переноса тепла в разных направлениях зависит от структуры магнитного поля. Изменение теплопроводности в разных направлениях зависит от структуры магнитного поля. проводимость контролирует образование потоков холодного газа, окруженных горячим газом, так называемых охлаждающих потоков», — пояснил профессор Лазарян.
Ускорение космических лучей
Космические лучи — это заряженные частицы высокой энергии, которые сильно взаимодействуют с магнитными полями в гало скоплений галактик. Доктор Джанфранко Брунетти, соавтор статьи, является ведущим экспертом в области процессов ускорения космических лучей в скоплениях галактик. Он воодушевлен открытием более ранней загадочной структуры магнитных полей.
«Известно, что скопления галактик ускоряют космические лучи за счет взаимодействия космических лучей с движущимися магнитными полями. Картина этого ускорения до сих пор неясна и зависит от динамики магнитного поля», — сказал профессор Лазариан.
Кроме того, космические лучи следуют по траекториям линий магнитного поля, а это означает, что на их выход из скоплений влияет специфическая структура этих магнитных полей.
Динамику магнитных полей внутри скоплений теперь можно составить с помощью метода SIG, что поможет нам понять работу крупнейших ускорителей частиц во Вселенной.
Заключительные мысли
SIG, с их способностью отображать магнитные поля в регионах, где информация о поляризации потеряна, дают неоценимую информацию о гало скоплений галактик и даже о более крупных структурах синхротронного излучения, недавно открытых Мегаореолах.
Поскольку астрофизическое сообщество с нетерпением ожидает ввода в эксплуатацию телескопа Square Kilometre Array (SKA) в 2027 году, будущее картографирования магнитного поля в скоплениях галактик выглядит многообещающим. SKA обеспечит синхротронную интенсивность для метода SIG, а также поляризацию, которая может быть использована другими методами, разработанными группой профессора Лазаряна, для изучения детальной трехмерной структуры астрофизических магнитных полей.
Профессор Лазариан сказал: «Градиентная техника является практическим плодом лучшего понимания фундаментальных магнитогидродинамических процессов, побуждающим нас глубже погружаться в эти важные процессы. Хотя преимущества фундаментальных исследований не всегда могут быть очевидны сразу, прогресс в понимании ключевых физических процессов процессы вызывают тектонические изменения, которые влияют на многие аспекты науки и техники».
