Wissenschaftler kartieren die größten Magnetfelder in Galaxienhaufen mithilfe eines Synchrotron-Dichtegradienten

In einer neuen Studie haben Wissenschaftler Magnetfelder in Galaxienhaufen kartiert, den Einfluss von Galaxienverschmelzungen auf Magnetfeldstrukturen aufgedeckt und frühere Annahmen über die Effizienz turbulenter Dynamoprozesse bei der Verstärkung dieser Felder in Frage gestellt.

Galaxienhaufen sind große gravitativ gebundene Systeme, die viele Galaxien, heißes Gas und dunkle Materie enthalten. Sie stellen einige der massereichsten Strukturen im Universum dar. Diese Cluster können aus Hunderten bis Tausenden von Galaxien bestehen, die durch die Schwerkraft zusammengehalten und in riesigen Halos aus heißem Gas, dem sogenannten inneren Medium (ICM), eingebettet sind.

Das ICM, das hauptsächlich aus ionisiertem Wasserstoff und Helium besteht, wird durch die Schwerkraft derselben Masse zusammengehalten. Magnetfelder in großräumigen Strukturen wie Galaxienhaufen spielen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung astrophysikalischer Prozesse. Sie beeinflussen das ICM, beeinflussen die Bildung und Entwicklung von Galaxien, tragen zur Übertragung kosmischer Strahlung bei, sind an der kosmischen Magnetisierung beteiligt und fungieren als Indikator für die Entwicklung großräumiger Strukturen.

Frühere Studien und Simulationen deuten darauf hin, dass sich Magnetfelder innerhalb von Clustern entwickeln, was darauf hindeutet, dass sie anfällig für Clusterdynamik sind und bei Fusionsereignissen eine Verstärkung erfahren.

Die Studie veröffentlicht in NaturkommunikationEs verwendet eine Methode namens Synchrotron-Intensitätsgradient (SIG), um Magnetfelder in Galaxienhaufen abzubilden, insbesondere bei Galaxienverschmelzungen. Diese Methode bietet eine einzigartige Perspektive auf Magnetfeldstrukturen und bietet ein Werkzeug zum Vergleich numerischer Vorhersagen aus Simulationen mit Beobachtungsdaten.

Der Hauptautor der Studie, Professor Alex Lazarian von der University of Wisconsin-Madison, sprach mit Phys.org über seine Motivation, Magnetfelder in Galaxienhaufen zu untersuchen, und sagte: „Der Schwerpunkt meiner Forschung liegt auf dem Verständnis der Rolle von Magnetfeldern in astrophysikalischen Umgebungen.“ . Besonders in magnetisierten und turbulenten Medien.“

„In den letzten zwei Jahrzehnten habe ich in Zusammenarbeit mit meinen Studenten intensiv magnetische Störungs- und Wiederverbindungsprozesse untersucht. Die Technik zur Kartierung von Magnetfeldern in Galaxienhaufen basiert auf theoretischen und numerischen Erkenntnissen aus jahrelanger Forschung.“

Synchrotron-Dichtegradient

Die Synchrotronintensität bezieht sich auf die Strahlung, die von geladenen Teilchen, normalerweise Elektronen, emittiert wird, wenn diese mit relativistischen Geschwindigkeiten entlang magnetischer Feldlinien rotieren. Dieses Phänomen ist als Synchrotronstrahlung bekannt.

Die SIG-Methode bietet eine einzigartige Perspektive, indem sie Magnetfelder durch einen Prozess abbildet, der auf dem Dichtegradienten des Synchrotrons basiert. Das Grundprinzip der angewandten Technik besteht darin, Wechselwirkungen zwischen Magnetfeldern und leitenden Flüssigkeiten, insbesondere ionisiertem Gas oder Plasma, auszunutzen.

Die Grundidee besteht darin, dass Magnetfelder die Bewegung dieser Flüssigkeiten beeinflussen und ihre Biegefestigkeit es einfach macht, ihre Richtung zu bestimmen. Professor Lazarian erklärte: „Diese Bewegungen führen zu Geschwindigkeitsgradienten und die Magnetfeldschwankungen verlaufen senkrecht zum Magnetfeld. Durch die Messung dieser Gradienten kann die Richtung des Magnetfelds ermittelt werden.“

Dieser Ansatz stellt eine neue Methode zur Messung von Magnetfeldern dar, die von der Gruppe von Professor Lazarian auf der Grundlage grundlegender Studien der Magnetohydrodynamik entwickelt wurde.

Professor Lazarian sagte: „Es werden Daten verwendet, die zunächst als irrelevant für Magnetfeldstudien galten, was es uns ermöglicht, wichtige Schlussfolgerungen aus verschiedenen Archivdatensätzen zu ziehen, die für Zwecke gesammelt wurden, die nichts mit Magnetfelduntersuchungen zu tun haben.“

Magnetfelder kartieren

Die Forscher erstellten Karten von Magnetfeldern in den größten jemals untersuchten Maßstäben, insbesondere in den Halos von Galaxien innerhalb von Galaxienhaufen.

„Wir haben die Genauigkeit dieser Technik bestätigt, indem wir die mit unserer Technik erhaltenen Magnetfeldrichtungen mit denen verglichen haben, die mit der herkömmlichen, auf Polarimetrie basierenden Methode erhalten wurden. Wir haben die Genauigkeit der SIGs auch durch numerische Simulationen gemessen“, sagte Professor Lazarian.

Die Studie zeigte, dass SIGs einen neuen Weg zur Kartierung von Magnetfeldern in beispiellos großen Maßstäben eröffnen. Die Komplexität der Plasmabewegung innerhalb verschmelzender Galaxienhaufen wird durch die Struktur des Magnetfelds deutlich.

Die Ergebnisse haben Auswirkungen auf unser Verständnis der Clusterdynamik und -entwicklung und liefern einzigartige Einblicke in die Rolle von Magnetfeldern bei Schlüsselprozessen innerhalb von Galaxienhaufen.

Polarisierung überwinden

Bei herkömmlichen Synchrotron-Polarisationsmessungen stellt die Depolarisation eine Herausforderung für die Kartierung von Magnetfeldern in Galaxienhaufenregionen dar, unter Ausschluss von Artefakten. Im Gegensatz zu anderen Methoden bleiben SIGs von der Depolarisation unberührt. Ziel dieser Studie ist es, zu überprüfen, ob SIGs und Polarisation in die gleichen Magnetfeldrichtungen zeigen, in denen Polarisation vorliegt.

Der Erstautor ist ein Ph.D. Der Student Yu Hu testete zusammen mit den italienischen Wissenschaftlern Dr. Annalisa Bonafede und Dr. Chiara Stuardi erfolgreich Magnetfeldmessungen innerhalb der Denkmäler und bestätigte damit die Zuverlässigkeit der SIG-Magnetfeldkarten. Professor Lazarian Ph.D. Von Student Ka Wai Ho durchgeführte Strömungsdynamiksimulationen bestätigten die Genauigkeit der Karte.

SIGs bieten eine einzigartige Möglichkeit, seit langem bestehende Fragen zum Ursprung, zur Entwicklung und zu den Auswirkungen von Magnetfeldern in Galaxienhaufen zu beantworten, ohne sich den Herausforderungen herkömmlicher Messungen stellen zu müssen.

Wärmeleitfähigkeit im ICM

SIGs ermöglichen es Forschern auch, bestehende Theorien zur Wärmeleitung im ICM und zur Entwicklung von Kühlströmen zu testen und zu validieren, ein Prozess, der noch nicht gut verstanden ist.

„Die Wärmeleitfähigkeit im Plasma innerhalb des Clusters (vollständig ionisiertes Gas) des ICM ist in der Richtung senkrecht zum Magnetfeld erheblich verringert. Daher hängt die Fähigkeit der Wärme, in verschiedene Richtungen übertragen zu werden, von der Struktur des Magnetfelds ab.“ „Wärmeänderungen werden durch die Leitfähigkeit gesteuert“, erklärte Professor Lazarian. Bei der Bildung kalter Gasströme, die von heißem Gas umgeben sind, die als Kühlströme bezeichnet werden.

Beschleunigung der kosmischen Strahlung

Bei der kosmischen Strahlung handelt es sich um hochenergetische geladene Teilchen, die stark mit den Magnetfeldern in den Halos von Galaxienhaufen interagieren. Dr. Gianfranco Brunetti, Co-Autor dieser Arbeit, ist ein führender Experte für Beschleunigungsprozesse der kosmischen Strahlung in Galaxienhaufen. Seine Leidenschaft gilt der Aufklärung der bisher geheimnisvollen Struktur von Magnetfeldern.

Professor Lazarian sagte: „Es ist bekannt, dass Galaxienhaufen die kosmische Strahlung durch die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit sich bewegenden Magnetfeldern beschleunigen. Das Bild dieser Beschleunigung ist noch unklar und hängt von der Dynamik des Magnetfelds ab.“

Darüber hinaus folgt die kosmische Strahlung dem Verlauf magnetischer Feldlinien, was bedeutet, dass ihr Austritt aus Clustern durch die spezifische Struktur dieser Magnetfelder beeinflusst wird.

Die Dynamik magnetischer Felder innerhalb von Clustern kann jetzt mithilfe der SIG-Technologie kartiert werden, was uns hilft, die Funktionsweise der größten Teilchenbeschleuniger im Universum zu verstehen.

Abschließende Gedanken

Mit ihrer Fähigkeit, Magnetfelder in Regionen abzubilden, in denen Polarisationsinformationen fehlen, liefern SIGs unschätzbare Einblicke in die Halos von Galaxienhaufen und sogar in größere Synchrotron-emittierende Strukturen, die kürzlich entdeckten Megahalos.

Während die Astrophysik-Community sehnsüchtig auf die Inbetriebnahme des Square Kilometre Array (SKA)-Teleskops im Jahr 2027 wartet, sieht die Zukunft der Magnetfeldkartierung in Galaxienhaufen vielversprechend aus. Das SKA wird die Synchrotronintensität für die SIG-Technik sowie die Polarisation bereitstellen, die von anderen Techniken verwendet werden kann, die von Professor Lazarians Gruppe entwickelt wurden, um die detaillierte 3D-Struktur astrophysikalischer Magnetfelder zu untersuchen.

Professor Lazarian sagte: „Die Gradiententechnik ist das Ergebnis eines besseren Verständnisses grundlegender magnetodynamischer Prozesse und veranlasst uns, tiefer in diese grundlegenden Prozesse einzutauchen. Auch wenn die Vorteile grundlegender Studien möglicherweise nicht immer sofort offensichtlich sind, Fortschritte beim Verständnis der grundlegenden Physik Zu den Prozessen führen „Zu tektonischen Veränderungen, die viele Aspekte der Wissenschaft und Technik beeinflussen.“