Скопления галактик представляют собой 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 или тысяч галактик, связанных друг с другом гравитацией, и заключены в обширные ореолы горячего газа, называемые внутрикластерной средой (ICM).
ICM, состоящий в основном из ионизированного водорода и гелия, удерживается вместе за счет гравитационного притяжения самого скопления. Магнитные поля в крупномасштабных структурах, таких как скопления галактик, играют ключевую роль в формировании астрофизических процессов. Они влияют на ICM, влияют на формирование и эволюцию галактик, способствуют переносу космических лучей, участвуют в космической намагниченности и служат индикаторами эволюции крупномасштабных структур.
Предыдущие исследования и симуляции показали, что магнитные поля внутри скоплений эволюционируют, указывая на их восприимчивость к динамике скопления и усиливаясь во время событий слияния.
В исследовании, опубликованном в Nature Communications, используется метод, называемый синхротронным градиентом интенсивности (SIG), для составления карты магнитных полей в скоплениях, особенно во время слияния галактик. Этот метод дает уникальный взгляд на структуры магнитного поля и предлагает инструмент для сравнения численных ожиданий, полученных на основе моделирования, с данными наблюдений.
Ведущий автор исследования, проф. Алекс Лазарян из Калифорнийского университета в Мэдисоне, поговорил с Phys.org о своей мотивации изучать магнитные поля в скоплениях галактик, сказав: "В центре моего исследования находится понимание роли магнитных полей в астрофизических средах, особенно в намагниченных и турбулентных средах".
Синхротронная интенсивность относится к излучению, испускаемому заряженными частицами, обычно электронами, когда они движутся по спирали 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 синхротронной интенсивности. Основной принцип, лежащий в основе применяемого метода, 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. Проф. Лазарян 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 профессором. Группа Лазаряна основана на фундаментальных исследованиях магнитогидродинамики.
"В нем используются данные, которые изначально считались несущественными для исследований магнитного поля, что позволяет нам получать важные результаты из различных архивных наборов данных, собранных для целей, не связанных с исследованиями магнитного поля", - сказал профессор. Лазарян.
Исследователи получили карты магнитных полей в самых крупных 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 SIGS с помощью численного моделирования ", - сказал профессор. Лазарян.
Исследование продемонстрировало, что SIGS открывают новый путь для отображения магнитных полей в беспрецедентно больших масштабах. Сложность движения плазмы внутри сливающихся скоплений галактик была выявлена через структуру магнитного поля.
Полученные результаты имеют значение для нашего понимания динамики и эволюции скоплений, предлагая уникальную информацию о роли магнитных полей в ключевых процессах внутри скоплений галактик.
При традиционных измерениях синхротронной поляризации деполяризация затрудняет картирование магнитных полей в областях скоплений галактик, за исключением реликтов. В отличие от других методов, SIGS остаются незатронутыми деполяризацией. Целью этого исследования было проверить, указывают ли SIGs и поляризация на те же направления магнитного поля, где присутствует поляризация.
Первый автор, аспирант Юэ Ху, совместно с итальянскими учеными доктором Аннализой Бонафеде и доктором Кьярой Стюарди успешно протестировали измерения магнитного поля в пределах реликвий, подтвердив достоверность карт магнитного поля SIG. Проф. Моделирование гидродинамики аспиранта Лазаряна Ка Вай Хо еще раз подтвердило точность карты.
SIGs предоставляют уникальный способ ответить на давние вопросы о происхождении, эволюции и воздействии магнитных полей в скоплениях галактик, не сталкиваясь с проблемами, связанными с традиционными измерениями.
SIGs также позволяют исследователям проверять и подтверждать существующие теории, касающиеся теплопроводности в ICM и развития охлаждающих потоков - малоизученного процесса.
"Теплопроводность во внутрикластерной плазме (полностью ионизированном газе) ICM значительно снижается в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Таким образом, способность тепла переноситься в разных направлениях зависит от структуры магнитного поля. Изменения теплопроводности контролируют формирование потоков холодного газа, окруженных горячим газом, так называемых охлаждающих потоков", - объяснил профессор. Лазарян.
Космические лучи представляют собой заряженные частицы высокой энергии, которые сильно взаимодействуют с магнитными полями в гало скоплений галактик. Доктор Джанфранко Брунетти, соавтор статьи, является ведущим экспертом по процессам ускорения космических лучей в скоплениях галактик. Он взволнован раскрытием 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 все еще неясна и зависит от динамики магнитного поля", - сказал профессор. Лазарян.
Кроме того, космические лучи проходят по траекториям линий магнитного поля, что означает, что на их выход из скоплений влияет специфическая структура этих магнитных полей.
Динамика магнитных полей внутри скоплений теперь может быть нанесена на карту с помощью метода SIG, что помогает нам понять работу крупнейших ускорителей частиц во Вселенной.
Заключительные соображения
SIGs, с их способностью отображать магнитные поля в областях, где информация о поляризации теряется, дают бесценную информацию о гало скоплений галактик и даже более крупных структурах, излучающих синхротрон.
Поскольку астрофизическое сообщество с нетерпением ожидает ввода в эксплуатацию телескопа Square Kilometre Array (SKA) в 2027 году, будущее картирования магнитного поля в скоплениях галактик выглядит многообещающим. SKA обеспечит синхротронную интенсивность для метода SIG, а также поляризацию, которая может быть использована другими методами, разработанными профессором Дж. Группа Лазаряна изучает подробную трехмерную структуру астрофизических магнитных полей.
Профессор. Лазарян сказал: "Градиентный метод является практическим результатом лучшего понимания фундаментальных магнитогидродинамических процессов, побуждая нас глубже вникать в эти важнейшие процессы. Хотя преимущества фундаментальных исследований не всегда могут быть очевидны сразу, успехи в понимании ключевых физических процессов вызывают тектонические изменения, которые затрагивают многие аспекты науки и техники."
Источник: Nature Communications
На изображении:
Изображение магнитного поля в скоплении Эль-Гордо с высоким разрешением, включая рентгеновское изображение Chandra (синяя часть изображения), инфракрасное изображение NASA JWST (фоновые галактики на изображении) и измеренные магнитные поля (линии тока).
Фото: Рентгеновский снимок Chandra: NASA / CXC / Rutgers;
Инфракрасный снимок JWST: NASA / ESA / CSA;
Линии магнитного поля: Юэ Ху.
Дополнительные материалы
