In einer neuen Studie haben Wissenschaftler Magnetfelder in Galaxienhaufen kartiert, die Auswirkungen galaktischer Verschmelzungen 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 zahlreiche 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 werden, und sind in riesige Halos aus heißem Gas eingebettet, das Intracluster-Medium (ICM) genannt wird.
ICM besteht hauptsächlich aus ionisiertem Wasserstoff und Helium und wird durch die Anziehungskraft des Clusters selbst zusammengehalten. Magnetfelder in großräumigen Strukturen wie Galaxienhaufen spielen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung astrophysikalischer Prozesse. Sie beeinflussen das ICM, wirken sich auf die Bildung und Entwicklung von Galaxien aus, tragen zum Transport kosmischer Strahlung bei, sind an der kosmischen Magnetisierung beteiligt und dienen als Indikatoren 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 die Dynamik des Clusters sind und bei Verschmelzungsereignissen eine Verstärkung erfahren.
Die Studie, veröffentlicht in Naturkommunikationverwendet 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 Erwartungen aus Simulationen mit Beobachtungsdaten.
Der Hauptautor der Studie, Prof. Alex Lazarian von der UW-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.“ , insbesondere in magnetisierten und turbulenten Medien.“
„In den letzten zwei Jahrzehnten habe ich in Zusammenarbeit mit meinen Studenten intensiv magnetische Turbulenzen und Wiederverbindungsprozesse untersucht. Die Technik zur Kartierung von Magnetfeldern in Galaxienhaufen basiert auf den theoretischen und numerischen Erkenntnissen, die ich in jahrelanger Forschung gewonnen habe.“
Synchrotron-Intensitätsgradient
Die Synchrotronintensität bezieht sich auf die Strahlung, die von geladenen Teilchen, typischerweise Elektronen, emittiert wird, wenn sie sich mit relativistischen Geschwindigkeiten entlang magnetischer Feldlinien bewegen. Dieses Phänomen ist als Synchrotronstrahlung bekannt.
Die SIG-Methode bietet eine einzigartige Perspektive, indem sie Magnetfelder durch einen Prozess abbildet, der auf dem Intensitätsgradienten des Synchrotrons basiert. Das Grundprinzip der angewandten Technik besteht darin, die Wechselwirkungen zwischen Magnetfeldern und leitfähigen Flüssigkeiten, insbesondere ionisiertem Gas oder Plasma, zu nutzen.
Die Kernidee besteht darin, dass Magnetfelder die Bewegung dieser Flüssigkeiten beeinflussen und dass ihr Widerstand gegen Biegung es einfacher macht, ihre Richtung zu erkennen. Prof. Lazarian erklärte: „Diese Bewegungen führen zu Geschwindigkeitsgradienten und Magnetfeldfluktuationen verlaufen senkrecht zum Magnetfeld. Durch die Messung dieser Gradienten kann man die Richtung des Magnetfelds ermitteln.“
Dieser Ansatz stellt eine neuartige Methode zur Messung von Magnetfeldern dar, die von der Gruppe von Prof. Lazarian auf der Grundlage grundlegender Studien der Magnetohydrodynamik entwickelt wurde.
„Es nutzt Daten, die ursprünglich für Magnetfeldstudien als irrelevant erachtet wurden, und ermöglicht es uns, signifikante Ergebnisse aus verschiedenen Archivdatensätzen abzuleiten, die für Zwecke gesammelt wurden, die nichts mit Magnetfelduntersuchungen zu tun haben“, sagte Prof. Lazarian.
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 Polarisationsmessungen basierenden Methode erhalten wurden. Wir haben die Genauigkeit von SIGs auch mit numerischen Simulationen gemessen“, sagte Prof. 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 wurde durch die Struktur des Magnetfelds offenbart.
Die Ergebnisse haben Auswirkungen auf unser Verständnis der Clusterdynamik und -entwicklung und bieten einzigartige Einblicke in die Rolle von Magnetfeldern bei Schlüsselprozessen in Galaxienhaufen.
Depolarisierung überwinden
Bei herkömmlichen Synchrotron-Polarisationsmessungen stellt die Depolarisation eine Herausforderung bei der Kartierung von Magnetfeldern in Galaxienhaufenregionen dar, mit Ausnahme von Relikten. Im Gegensatz zu anderen Methoden bleiben SIGs von der Depolarisation unberührt. Ziel dieser Studie war es zu überprüfen, ob SIGs und Polarisation bei vorhandener Polarisation auf die gleichen Magnetfeldrichtungen hinweisen.
Erstautor Ph.D. Der Student Yue Hu testete zusammen mit den italienischen Wissenschaftlern Dr. Annalisa Bonafede und Dr. Chiara Stuardi erfolgreich Magnetfeldmessungen in Relikten und bestätigte damit die Zuverlässigkeit der SIG-Magnetfeldkarten. Prof. Lazarians Ph.D. Die Strömungsdynamiksimulationen des Studenten Ka Wai Ho bestätigten die Kartengenauigkeit weiter.
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 stellen zu müssen, die herkömmliche Messungen mit sich bringen.
Wärmeleitung im ICM
SIGs ermöglichen es Forschern auch, bestehende Theorien zur Wärmeleitung im ICM und zur Entwicklung von Kühlströmen zu testen und zu validieren, ein wenig verstandener Prozess.
„Die Wärmeleitung im Intracluster-Plasma (vollständig ionisiertes Gas) von ICM ist in der Richtung senkrecht zum Magnetfeld erheblich verringert. Daher hängt die Fähigkeit der Wärme, in verschiedene Richtungen transportiert zu werden, von der Struktur des Magnetfelds ab. Die Änderungen in der Wärme Leitfähigkeit steuern die Bildung kalter Gasströme, die von heißem Gas umgeben sind, den sogenannten Kühlströmen“, erklärt Prof. Lazarian.
Beschleunigung der kosmischen Strahlung
Kosmische Strahlung sind hochenergetische geladene Teilchen, die stark mit Magnetfeldern in Galaxienhaufen-Halos interagieren. Dr. Gianfranco Brunetti, einer der Mitautoren des Artikels, ist der führende Experte für die Prozesse der Beschleunigung der kosmischen Strahlung in Galaxienhaufen. Er ist begeistert davon, die frühere rätselhafte Struktur von Magnetfeldern aufzudecken.
„Es ist bekannt, dass Galaxienhaufen kosmische Strahlung durch die Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit sich bewegenden Magnetfeldern beschleunigen. Das Bild dieser Beschleunigung ist noch unklar und hängt von der Magnetfelddynamik ab“, sagte Prof. Lazarian.
Darüber hinaus folgt die kosmische Strahlung dem Verlauf magnetischer Feldlinien, was bedeutet, dass ihr Austritt aus den Clustern von der spezifischen Struktur dieser Magnetfelder beeinflusst wird.
Die Dynamik der Magnetfelder innerhalb der Cluster kann nun mit der SIG-Technik kartiert werden, was uns hilft, den Betrieb der größten Teilchenbeschleuniger im Universum zu verstehen.
Abschließende Gedanken
SIGs bieten mit ihrer Fähigkeit, Magnetfelder in Regionen abzubilden, in denen Polarisationsinformationen verloren gehen, unschätzbare Einblicke in die Halos von Galaxienhaufen und sogar größere Synchrotron-emittierende Strukturen, die kürzlich entdeckten Megahalos.
Während die astrophysikalische Gemeinschaft mit Spannung 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 Synchrotronintensität für die SIG-Technik sowie Polarisation bereitstellen, die von anderen Techniken verwendet werden kann, die von Prof. Lazarians Gruppe entwickelt wurden, um die detaillierte 3D-Struktur astrophysikalischer Magnetfelder zu untersuchen.
Prof. Lazarian sagte: „Die Gradiententechnik ist eine praktische Frucht eines besseren Verständnisses grundlegender magnetohydrodynamischer Prozesse und treibt uns dazu, tiefer in diese wesentlichen Prozesse einzutauchen. Auch wenn die Vorteile grundlegender Studien möglicherweise nicht immer sofort ersichtlich sind, gibt es Fortschritte beim Verständnis wichtiger physikalischer Prozesse.“ Prozesse führen zu tektonischen Veränderungen, die sich auf viele Aspekte der Wissenschaft und Technik auswirken.“
Mehr Informationen:
Yue Hu et al., Synchrotron-Intensitätsgradient, der Magnetfelder in Galaxienhaufen aufdeckt, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-45164-8.
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