In een nieuwe studie hebben wetenschappers magnetische velden in clusters van sterrenstelsels in kaart gebracht, waardoor de impact van galactische fusies op magnetische veldstructuren is onthuld en eerdere aannames over de efficiëntie van turbulente dynamoprocessen bij de versterking van deze velden in twijfel zijn getrokken.

Clusters van sterrenstelsels zijn grote, door zwaartekracht gebonden systemen die talloze sterrenstelsels, heet gas en donkere materie bevatten. Ze vertegenwoordigen enkele van de meest massieve structuren in het universum. Deze clusters kunnen uit honderden tot duizenden sterrenstelsels bestaan, met elkaar verbonden door de zwaartekracht, en zijn ingebed in enorme halo's van heet gas, het intraclustermedium (ICM).

ICM, dat voornamelijk bestaat uit geïoniseerde waterstof en helium, wordt bij elkaar gehouden door de zwaartekracht van de cluster zelf. Magnetische velden in grootschalige structuren, zoals clusters van sterrenstelsels, spelen een cruciale rol bij het vormgeven van astrofysische processen. Ze beïnvloeden de ICM, beïnvloeden de vorming en evolutie van sterrenstelsels, dragen bij aan het transport van kosmische straling, nemen deel aan kosmische magnetisatie en dienen als tracers van grootschalige structuurevolutie.

Eerdere studies en simulaties hebben gesuggereerd dat magnetische velden binnen clusters evolueren, wat hun gevoeligheid voor de dynamiek van het cluster aangeeft en versterking ervaart tijdens samensmeltende gebeurtenissen.

De studie, gepubliceerd in Nature Communications , maakt gebruik van een methode genaamd synchrotron-intensiteitsgradiënt (SIG) om magnetische velden in clusters in kaart te brengen, vooral tijdens fusies van sterrenstelsels. Deze methode biedt een uniek perspectief op magnetische veldstructuren en biedt een hulpmiddel om numerieke verwachtingen uit simulaties te vergelijken met observatiegegevens.

Het onderzoek werd geleid door Yue Hu, student aan UW-Madison. Co-auteur van de studie, prof. Alex Lazarian van UW-Madison, sprak met Phys.org over zijn motivatie om magnetische velden in clusters van sterrenstelsels te bestuderen en zei:"De focus van mijn onderzoek ligt in het begrijpen van de rol van magnetische velden in astrofysische omgevingen, vooral in gemagnetiseerde en turbulente media."

"De afgelopen twintig jaar heb ik in samenwerking met mijn studenten uitgebreid magnetische turbulentie en herverbindingsprocessen bestudeerd. De techniek die wordt gebruikt om magnetische velden in clusters van sterrenstelsels in kaart te brengen, is gebaseerd op de theoretische en numerieke inzichten die zijn verkregen uit jarenlang onderzoek." P>

Synchrotron-intensiteitsgradiënt

Synchrotronintensiteit verwijst naar de straling die wordt uitgezonden door geladen deeltjes, meestal elektronen, terwijl ze met relativistische snelheden langs magnetische veldlijnen bewegen. Dit fenomeen staat bekend als synchrotronstraling.

De SIG-methode introduceert een uniek perspectief door magnetische velden in kaart te brengen via een proces dat is geworteld in de synchrotron-intensiteitsgradiënt. Het basisprincipe achter de toegepaste techniek is het benutten van de interacties tussen magnetische velden en geleidende vloeistoffen, met name geïoniseerd gas of plasma.

Het belangrijkste idee is dat magnetische velden de beweging van deze vloeistoffen beïnvloeden, en dat hun weerstand tegen buigen het gemakkelijker maakt om hun richting te onderscheiden. Prof. Lazarian legde uit:"Deze bewegingen resulteren in snelheidsgradiënten, en fluctuaties in het magnetische veld staan ​​loodrecht op het magnetische veld. Door deze gradiënten te meten, kan men de richting van het magnetische veld bepalen."

Deze aanpak vertegenwoordigt een nieuwe manier om magnetische velden te meten, ontwikkeld door de groep van prof. Lazarian op basis van fundamentele studies van de magnetohydrodynamica.

"Het maakt gebruik van gegevens die aanvankelijk als irrelevant werden beschouwd voor onderzoeken naar magnetische velden, waardoor we significante resultaten kunnen afleiden uit diverse archiefdatasets die zijn verzameld voor doeleinden die geen verband houden met onderzoek naar magnetische velden", aldus prof. Lazarian.

Magnetische velden in kaart brengen

De onderzoekers verkregen kaarten van magnetische velden op de grootste schaal ooit bestudeerd, met name in de halo's van sterrenstelsels binnen clusters van sterrenstelsels.

"We hebben de nauwkeurigheid van deze techniek bevestigd door de magnetische veldrichtingen verkregen met onze techniek te vergelijken met die verkregen met de traditionele, gebaseerd op het meten van polarisatie. We hebben ook de nauwkeurigheid van SIG's gemeten met numerieke simulaties", aldus prof. Lazarian.

De studie toonde aan dat SIG's een nieuwe weg openen om magnetische velden op ongekend grote schaal in kaart te brengen. De complexiteit van plasmabewegingen binnen samensmeltende clusters van sterrenstelsels werd onthuld door de structuur van het magnetische veld.

De bevindingen hebben implicaties voor ons begrip van de dynamiek en evolutie van clusters en bieden unieke inzichten in de rol van magnetische velden in sleutelprocessen binnen clusters van sterrenstelsels.

Depolarisatie overwinnen

Bij traditionele synchrotronpolarisatiemetingen vormt depolarisatie een uitdaging bij het in kaart brengen van magnetische velden in clustergebieden van sterrenstelsels, met uitzondering van relikwieën. In tegenstelling tot andere methoden blijven SIG's onaangetast door depolarisatie. Deze studie was bedoeld om te verifiëren of SIG's en polarisatie dezelfde richtingen van het magnetische veld aangeven waar polarisatie aanwezig is.

Eerste auteur Ph.D. student Yue Hu testte samen met de Italiaanse wetenschappers Dr. Annalisa Bonafede en Dr. Chiara Stuardi met succes magnetische veldmetingen binnen relikwieën, wat de betrouwbaarheid van SIG-magneetveldkaarten bevestigde. Prof. Lazarian's Ph.D. De vloeistofdynamica-simulaties van student Ka Wai Ho bevestigden de kaartnauwkeurigheid verder.

SIG's bieden een unieke manier om al lang bestaande vragen over de oorsprong, evolutie en effecten van magnetische velden in clusters van sterrenstelsels te beantwoorden, zonder de uitdagingen aan te gaan die traditionele metingen met zich meebrengen.

Warmtegeleiding in ICM

Met SIG's kunnen onderzoekers ook bestaande theorieën over warmtegeleiding in de ICM en de ontwikkeling van koelstromen testen en valideren, een proces dat slecht wordt begrepen.

"Warmtegeleiding in intraclusterplasma (volledig geïoniseerd gas) van ICM wordt aanzienlijk verminderd in de richting loodrecht op het magnetische veld. Het vermogen van warmte om in verschillende richtingen te worden getransporteerd hangt dus af van de structuur van het magnetische veld. De veranderingen in warmte geleidbaarheid regelt de vorming van koude gasstromen omringd door heet gas, de zogenaamde koelstromen", legt prof. Lazarian uit.

Kosmische straalversnelling

Kosmische straling zijn hoogenergetische geladen deeltjes die sterk interageren met magnetische velden in clusterhalo's van sterrenstelsels. Dr. Gianfranco Brunetti, co-auteur van het artikel, is de toonaangevende expert op het gebied van de processen van kosmische stralingsversnelling in clusters van sterrenstelsels. Hij is enthousiast over het onthullen van de eerdere raadselachtige structuur van magnetische velden.

"Het is bekend dat clusters van sterrenstelsels kosmische straling versnellen door de interactie van kosmische straling met bewegende magnetische velden. Het beeld van deze versnelling is nog steeds onduidelijk en hangt af van de dynamiek van het magnetische veld", zegt prof. Lazarian.

Bovendien volgt kosmische straling de paden van magnetische veldlijnen, wat betekent dat hun ontsnapping uit de clusters wordt beïnvloed door de specifieke structuur van deze magnetische velden.

De dynamiek van de magnetische velden binnen de clusters kan nu in kaart worden gebracht met behulp van de SIG-techniek, waardoor we de werking van de grootste deeltjesversnellers in het universum kunnen begrijpen.

Concluderende gedachten

SIG's, met hun vermogen om magnetische velden in kaart te brengen in gebieden waar polarisatie-informatie verloren gaat, bieden waardevolle inzichten in de halo's van clusters van sterrenstelsels en zelfs grotere synchrotron-emitterende structuren, de onlangs ontdekte Megahalos.

Gigantische bellen, 30 maal het volume van de grootste galactische halo, werden onlangs geïdentificeerd door een internationaal team, waaronder Dr. Brunetti van de European Low-Frequency Array (LOFAR), een laagfrequente interferometer die meerdere Europese landen bestrijkt. Deze structuren, ook wel SIG’s genoemd, bieden de enige methode om magnetische velden binnen deze immense kosmische bellen in kaart te brengen met behulp van LOFAR-gegevens. Italiaanse en Wisconsin-onderzoekers beschouwen deze ontdekking als een cruciale stap vooruit in het blootleggen van de enigmatische geheimen van het magnetisme van het universum.

Terwijl de astrofysische gemeenschap reikhalzend uitkijkt naar de ingebruikname van de Square Kilometre Array (SKA) telescoop in 2027, ziet de toekomst van het in kaart brengen van magnetische velden in clusters van sterrenstelsels er veelbelovend uit. De SKA zal synchrotronintensiteit leveren voor de SIG-techniek, evenals polarisatie die kan worden gebruikt door andere technieken die zijn ontwikkeld door de groep van prof. Lazarian om de gedetailleerde 3D-structuur van astrofysische magnetische velden te bestuderen.

Prof. Lazarian zei:“De gradiënttechniek is een praktische vrucht van een beter begrip van fundamentele magnetohydrodynamische processen, wat ons ertoe aanzet dieper in deze essentiële processen te duiken. Hoewel de voordelen van fundamentele studies misschien niet altijd onmiddellijk duidelijk zijn, is de vooruitgang in het begrijpen van belangrijke fysische processen processen veroorzaken tektonische veranderingen die vele aspecten van wetenschap en techniek beïnvloeden."

Meer informatie: Yue Hu et al, Synchrotron-intensiteitsgradiënt onthult magnetische velden in clusters van sterrenstelsels, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45164-8.

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

© 2024 Science X Netwerk