Od dziesięcioleci astronomów zaskakuje istnienie słabych, gigantycznych struktur w przestrzeni kosmicznej, zwanych „reliktami radiowymi”. Te widmowe łuki, rozciągające się na miliony lat świetlnych przez gromady galaktyk, są pozostałością po gwałtownych zderzeniach tych kosmicznych gigantów. Teraz wydaje się, że nowe, wysokiej jakości symulacje przeprowadzone przez Instytut Astrofizyki Leibniza w Poczdamie (AIP) w Niemczech w końcu złamały kod ich osobliwego zachowania.
Tajemnica reliktów radiowych
Relikty radiowe powstają, gdy fale uderzeniowe ze zderzających się gromad galaktyk przyspieszają elektrony do prędkości bliskiej prędkości światła, emitując rozproszone fale radiowe. Struktury te są powszechne, ale obserwacje ujawniły niespójności, które zaprzeczają istniejącym modelom teoretycznym: silniejsze niż oczekiwano pola magnetyczne, różną siłę uderzenia mierzoną w świetle radiowym i rentgenowskim, a nawet uderzenia, które wydawały się zbyt słabe, aby przyspieszyć elektrony.
Dlaczego to ma znaczenie: Zderzenia gromad galaktyk należą do najbardziej energetycznych wydarzeń we Wszechświecie, kształtując ewolucję znajdujących się w nich galaktyk. Zrozumienie sposobu powstawania struktur reliktowych ujawnia podstawowe procesy zachodzące, gdy struktury zderzają się w skali kosmologicznej.
Przełom w modelowaniu wieloskalowym
Przełom dokonany przez zespół AIP nastąpił dzięki zastosowaniu symulacji obejmujących wiele skal. Najpierw symulowali zderzenia gromad galaktyk na przestrzeni miliardów lat, a następnie zagłębili się w fizykę poszczególnych fal uderzeniowych oddziałujących z burzliwymi obrzeżami tych gromad. Takie podejście umożliwiło odtworzenie zaobserwowanych cech struktur reliktowych z niespotykaną dotąd dokładnością.
Kluczowe wnioski: ulepszone pola magnetyczne
Symulacje wykazały, że pola magnetyczne w strukturach reliktowych są nie tylko wzmacniane przez początkową falę uderzeniową, ale są dodatkowo wzmacniane, gdy fala uderzeniowa zderza się z innymi wstrząsami generowanymi przez spadający gaz kosmiczny. Zderzenie to kompresuje plazmę w gęste warstwy, generując turbulencje, które skręcają i ściskają pola magnetyczne znacznie bardziej, niż jest to w stanie osiągnąć pojedyncza fala uderzeniowa.
Rozwiązywanie rozbieżności: pomiary radiowe i rentgenowskie
Zespół wyjaśnił także, dlaczego pomiary radiowe i rentgenowskie siły uderzenia różnią się. Symulacje wykazały, że fale uderzeniowe przechodzą przez gęste skupiska gazu, tworząc lokalne obszary intensywnego przyspieszenia. Te zwarte obszary dominują w sygnale radiowym, natomiast teleskopy rentgenowskie mierzą średnią siłę uderzenia, włączając słabsze obszary, co wyjaśnia rozbieżności.
Rola turbulencji
Symulacje pokazały również, że fale uderzeniowe nie tylko równomiernie przyspieszają elektrony. Turbulencje odgrywają kluczową rolę, skręcając i ściskając pola magnetyczne do obserwowalnych poziomów. Turbulencja ta powstaje w wyniku zderzenia fal uderzeniowych, tworząc kosmiczny wir.
„Cały mechanizm generuje turbulencje poprzez skręcanie i ściskanie pola magnetycznego do obserwowalnych wartości, rozwiązując w ten sposób pierwszą zagadkę” – powiedział Christoph Pfrommer z AIP.
Przyszłość badań nad reliktami
Sukces zespołu AIP otwiera nowe możliwości badania tych tajemniczych struktur. Łącząc wielkoskalowe symulacje kosmologiczne z modelami rur uderzeniowych o wysokiej wierności, pokonali główną przeszkodę w zrozumieniu fizyki zderzeń gromad galaktyk. Przyszłe badania prawdopodobnie będą opierać się na tej pracy, aby odkryć pozostałe tajemnice otaczające relikty radiowe, zapewniając lepszy wgląd w największe i najbardziej energetyczne wydarzenia we wszechświecie.
Symulacje potwierdzają, że najsilniejsze i najbardziej zlokalizowane części frontu uderzeniowego wytwarzają większość emisji radiowej. Niska średnia siła wywnioskowana z danych rentgenowskich nie stanowi już zagrożenia dla podstawowej fizyki.
