Al tientallen jaren zijn astronomen verbaasd over het bestaan van zwakke, gigantische structuren in de ruimte die bekend staan als ‘radio-relikwieën’. Deze spookachtige bogen, die zich over miljoenen lichtjaren uitstrekken over clusters van sterrenstelsels, zijn overblijfselen van gewelddadige botsingen tussen deze kosmische kolossen. Nu lijken nieuwe simulaties met hoge resolutie van het Leibniz Instituut voor Astrofysica Potsdam (AIP) in Duitsland eindelijk de code achter hun eigenaardige gedrag te kraken.
Het mysterie van radio-relikwieën
Radiorelikwieën worden gevormd wanneer schokgolven van botsende clusters van sterrenstelsels elektronen versnellen tot bijna de lichtsnelheid, waardoor diffuse radiogolven worden uitgezonden. Deze structuren komen vaak voor, maar waarnemingen hebben inconsistenties aan het licht gebracht die de bestaande theoretische modellen tartten: sterker dan verwachte magnetische velden, variërende schoksterkten gemeten in radio- versus röntgenlicht, en zelfs schokken die te zwak leken om elektronen überhaupt te versnellen.
Waarom dit ertoe doet: Botsingen tussen clusters van sterrenstelsels behoren tot de meest energetische gebeurtenissen in het universum en geven vorm aan de evolutie van sterrenstelsels daarin. Als we begrijpen hoe relikwieën ontstaan, worden fundamentele processen onthuld die aan het werk zijn wanneer structuren op kosmologische schaal botsen.
Een doorbraak op het gebied van simulatie op meerdere schaal
De doorbraak van het AIP-team kwam voort uit het gebruik van simulaties die meerdere schaalniveaus besloegen. Ze modelleerden eerst de botsingen van clusters van sterrenstelsels gedurende miljarden jaren en zoomden vervolgens in op de fysica van individuele schokgolven die interageren met de turbulente buitenwijken van deze clusters. Deze aanpak stelde hen in staat waargenomen relikwiekenmerken met ongekende nauwkeurigheid te reproduceren.
Belangrijkste bevindingen: versterkte magnetische velden
De simulaties laten zien dat magnetische velden in relikwieën niet alleen worden versterkt door de eerste schokgolf, maar verder worden versterkt wanneer de schok botst met andere schokken die worden veroorzaakt door vallend kosmisch webgas. Deze botsing comprimeert plasma tot dichte lagen, waardoor turbulentie ontstaat die magnetische velden verdraait en comprimeert, veel verder dan wat een enkele schok zou kunnen bereiken.
Discrepanties opgelost: radio- versus röntgenmetingen
Het team legde ook uit waarom radio- en röntgenmetingen van schoksterkte verschillen. Uit de simulaties bleek dat schokken door dichte gasklonten heen gaan, waardoor plaatselijke gebieden met intense versnelling ontstaan. Deze compacte plekken domineren het radiosignaal, terwijl röntgentelescopen de gemiddelde schoksterkte meten, inclusief zwakkere gebieden, en zo de verschillen verklaren.
De rol van turbulentie
Uit de simulaties blijkt ook dat de schokgolven niet alleen elektronen gelijkmatig versnellen. Turbulentie speelt een cruciale rol, waarbij magnetische velden worden verdraaid en gecomprimeerd tot waargenomen sterkten. Deze turbulentie ontstaat doordat de schokgolven met elkaar botsen, waardoor een kosmische maalstroom ontstaat.
“Het hele mechanisme genereert turbulentie, waardoor het magnetische veld wordt verdraaid en samengedrukt tot de waargenomen sterkten, waardoor de eerste puzzel wordt opgelost”, zegt Christoph Pfrommer van AIP.
De toekomst van relikwieonderzoek
Het succes van het AIP-team opent nieuwe wegen voor het bestuderen van deze raadselachtige structuren. Door grootschalige kosmologische simulaties te combineren met schokbuismodellen met hoge resolutie hebben ze een grote hindernis overwonnen bij het begrijpen van de fysica van botsingen tussen sterrenstelsels. Toekomstig onderzoek zal waarschijnlijk voortbouwen op dit werk om de resterende mysteries rond radio-relikwieën te ontrafelen, waardoor diepere inzichten zullen worden verkregen in de grootste en meest energetische gebeurtenissen in het universum.
De simulaties bevestigen dat de sterkste, gelokaliseerde delen van het schokfront het grootste deel van de radio-emissie produceren. De lage gemiddelde sterkten die uit röntgenstraling worden afgeleid, vormen immers geen bedreiging voor de onderliggende fysica.
