Загадка радиореликтов: Новый взгляд на столкновения галактик

Галактические кластеры — это крупнейшие гравитационно связанные структуры во Вселенной, каждый из которых содержит сотни или даже тысячи галактик. Когда два таких гиганта сталкиваются, они создают мощные ударные волны, которые высвобождают колоссальное количество энергии, непредставимое с момента Большого Взрыва.

Эти ударные волны воздействуют на электроны, возбуждая их и заставляя излучать радиоволны по мере вращения вокруг магнитных полей. Результатом становятся «радиореликты» — огромные дуги радиовыпуска, длина которых может превышать 6 миллионов световых лет, что примерно соответствует 60–70 галактикам Млечного Пути, выстроенным в линию.

Тем не менее, в последние годы вопросы вокруг радиореликтов только множатся. Например, когда наблюдатели измеряют силу магнитного поля в реликте, значения оказываются необъяснимо высокими. Не менее любопытно и то, что сила основного ударного фронта, похоже, изменяется в зависимости от того, наблюдается ли она в радиодиапазоне или в рентгеновских лучах.

И, возможно, самым тревожным из всех является тот факт, что данные рентгеновского излучения предполагают, что многие ударные волны, питающие радиореликты, оказываются слишком слабыми, чтобы должным образом разогнать электроны. Это ставит под сомнение само существование радиореликтов.

Однако исследователи Института астрофизики в Потсдаме (AIP) смогли решить эти проблемы, применив инновационный многомасштабный подход. «Ключом к нашему успеху стало то, что мы использовали разные масштабы,» объясняет доктор Джозеф Уиттингем, ведущий автор исследования.

«Сначала мы traced, как формируются ударные волны в космологических симуляциях, а затем воспроизвели то, что увидели, в более идеализированной настройке с значительно лучшим разрешением.» На последнем этапе авторы смоделировали развитие возбужденных электронов и последующее радиовыпускание с нуля, соединяя физику на размерах галактических кластеров с процессами, происходящими на масштабах в триллион раз меньше, чем орбита электрона.

Основные шаги их исследования помогли понять, как ударные волны обрабатываются в кластерах, создавая сложные взаимодействия между газом и магнитными полями, что решает первую задачу. После того как ударные волны достигают края галактического кластера, они сталкиваются с другими волнами, вызывая сжатие окружающего материала и образуя плотный слой газа, который вызывает турбулентность и увеличивает магнитные поля до наблюдаемых значений.

Кроме того, когда ударная волна проходит через газовые скопления, часть фронта становится сильнее, что увеличивает радиовыпуск. В противовес этому, рентгеновское излучение продолжает отражать среднюю, более слабую силу удара. Это объясняет, почему данные из двух типов излучения обычно расходятся, тем самым решая вторую загадку.

Финально, поскольку подавляющее большинство радиореликтов формируется исключительно из самых сильных частей ударного фронта, более низкие средние значения, полученные из рентгеновских данных, не являются препятствием для теории возбуждения электронов при ударах. «Этот успех вдохновляет нас продолжать исследование, чтобы ответить на оставшиеся неразрешенные загадки вокруг радиореликтов», — подводит итог Уиттингем.