天文学家最后解释在太空中幽灵的“无线电遗迹”的奇怪物理学

By Sharmila Kuthunur published 2 days ago

Astronomy

新的多尺度仿真帮助破解当星系团碰撞时产生的巨大射电弧背后的长期秘密。

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在一个星系团合并期间弧一样冲击波向外旅行，将大量能量转化为热。左图显示气体密度，右图显示了有清晰可见的激波前沿的耗散能量。 (Image credit: AIP/J. Whittingham)

在宇宙最宏大的尺度上，星系团以慢动作灾难形式碰撞，留下巨大的幽灵般的弧——广袤的能延伸跨数百万光年的扩散无线电辐射带。被巨大冲击波锻造将电子加速到接近光速这些奇怪的结构被称为“无线电遗迹”

天文学家已经编目几十个的它们，但它们的行为仍然惊人的难来解释。

例如来自美国宇航局的钱德拉X射线天文台、欧洲的XMM-Newton和其他望远镜的观测揭示了穿过遗迹的磁场比我们的模型预测的远更强。这些遗迹的冲击波出现有不同的强度这取决于它们被用无线电测量还是被X射线测量。而且也许最令人困惑的是X射线测量有时意味着冲击太弱毕竟不能加速电子，似乎与无线电遗迹的存在矛盾着。

现在，由德国波茨坦莱布尼兹天体物理研究所（AIP）的研究人员领导的一项新研究可能已经最后解开了这些秘密。

用高分辨率仿真该团队追踪了射电遗迹的形成和演化并成功的再产生了在真实观测中看到的令人费解的行为。他们的发现提供迄今为止这些神秘的结构如何形成以及为什么它们看起来是它们做的样子的最清晰的画片。

该研究的主要作者、德国波茨坦莱布尼兹天体物理研究所的博士后研究员唯亭哈姆（Joseph Whittingham）在一份声明中说，“我们成功的关键是用一系列尺度来解决这个问题”。

为了解射电遗迹如何形成和演化，唯亭哈姆和他的同事在他们的论文中写道，他们使用了一大套宇宙学仿真建模星系团在数十亿年内上如何生长和碰撞。从这个套件研究小组检查了两个星系团之间一个特别高能的、形成遗迹的合并，其中一个星系团比另一个更重大约2.5倍。随这两个大质量的仿真星系团合并，它们发射了跨近700万光年的巨大弧形冲击波。

然后，用这些结果作为一个指导，该团队构建了分辨率更高的“激波管”仿真，允许研究人员来分离和跟踪与星系团的团块状湍流周边相互作用的一个单个激波的精细尺度的物理学。从那里他们从电子如何在激波前沿加速的第一原理以及由此产生的无线电发射会如何出现在望远镜上建模。

该团队在新研究中写道，这种多尺度方法允许他们来解决“目前还无法到达的当代宇宙学仿真的物理学仿真”

仿真揭示了随一个冲击波向外移动通过一个星系团，它最终会与被从宇宙之网落入的冷气体创造的其他冲击碰撞。这种相互作用将等离子体压缩成一个密的薄片，然后这撞击成更小的气体团块，造成一个宇宙大漩涡，放大的磁场强度远超过一个单个冲击能取得的强度，与在观测中看到的出乎意料的强值相匹配。

德国波茨坦莱布尼兹天体物理研究所的研究合著者弗洛摩尔（Christoph Pfrommer）在同一份声明中说：“整个机制产生湍流，将磁场扭曲和压缩到观察到的强度，从而解决第一个难题”。

研究指出，这项新工作还阐明当一个激波扫过密的气体团时激波前沿的某些区域变得尖锐的增强，并更有效的加速电子。研究人员说，这些明亮、紧凑的斑块统治着无线电信号，但X射线望远镜测量激波的平均强度，包括它的更弱的区域，这解释天文学家长期以来注意到的差异。

最后，仿真表明只有激波前沿的最强、局部的部分实际上产生大部分的无线电发射，因此从X射线推断出的低平均强度毕竟对支撑的物理学没有威胁。

研究人员说，总的来说该团队的多尺度仿真再产生天文学家在真实遗物中看到的磁性、无线电和X射线特征的结合，解决几个长期存在的难题。

唯亭哈姆在声明中说：“这一成功动机我们建在我们研究上来回答围绕无线电遗迹的仍然未解决的秘密”。

该团队的结果被描述在《天文学与天体物理学》杂志上的一篇论文中，并于11月18日发布在预印本论文库arXiv上。