Галактические скопления — это крупнейшие структуры во Вселенной, связанные гравитацией, каждое из которых содержит сотни или даже тысячи галактик. Когда сталкиваются два таких гиганта, они посылают друг через друга мощные ударные волны, высвобождая энергию в масштабах, невиданных со времён Большого взрыва.
Ударные волны воздействуют на электроны, придавая им энергию и заставляя излучать радиоволны, когда они движутся по линиям магнитного поля. В результате образуется «радиорелик»: огромная дуга радиоизлучения, которая может простираться более чем на 6 миллионов световых лет или примерно на 60–70 галактик Млечного Пути, выстроенных в линию.
Однако в последние годы загадки, связанные с радиореликтами, только множатся. Во-первых, когда наблюдатели измеряют силу магнитного поля в реликте, они обнаруживают необъяснимо высокое значение. Не менее любопытно, что сила основной ударной волны, по-видимому, меняется в зависимости от того, наблюдается ли она в радиодиапазоне или в рентгеновских лучах.
Наконец, и, возможно, наиболее тревожно, данные рентгеновских наблюдений указывают на то, что многие ударные волны, питающие радиореликты, на самом деле слишком слабы, чтобы должным образом придавать энергию электронам. Это противоречит самому существованию радиореликтов.
Исследователи из Института астрофизики Общества Макса Планка (AIP) наконец-то смогли решить эти проблемы, используя инновационный мультимасштабный подход.
«Ключом к нашему успеху стала работа с различными масштабами», — объясняет доктор Джозеф Уиттингем, постдокторант AIP и ведущий автор исследования, опубликованного на сервере препринтов arXiv. «Сначала мы проследили, как формируются ударные волны в космологическом моделировании, а затем воспроизвели то, что увидели, в более идеализированной установке со значительно лучшим разрешением».
На последнем этапе авторы смоделировали эволюцию возбуждённых электронов и результирующего радиоизлучения с первых принципов. Таким образом, их моделирование связывает физику размеров галактических скоплений с процессами, происходящими в масштабах, сравнимых с орбитой электрона — масштабы различаются в триллионы раз.
Исследователи обнаружили, что, когда ударные волны достигают края галактического скопления, они сталкиваются с другими ударными волнами, создаваемыми холодным падающим газом. Этот процесс сжимает окружающий материал, образуя плотный газовый слой, который движется наружу, где сталкивается с другими скоплениями газа.
«Весь механизм генерирует турбулентность, скручивая и сжимая магнитное поле до наблюдаемой силы, тем самым решая первую загадку», — сообщает соавтор профессор Кристоф Пфроммер.
Кроме того, когда ударная волна проходит через газовые скопления, часть фронта ударной волны становится сильнее, увеличивая радиоизлучение. В то же время рентгеновское излучение продолжает отражать средние, в целом более слабые ударные волны, что объясняет, почему данные двух типов излучения обычно расходятся между собой, решая таким образом вторую загадку.
Наконец, поскольку подавляющая часть радиореликта формируется только самыми сильными частями фронта ударной волны, более низкие средние значения, полученные из рентгеновских данных, не являются проблемой для теории накачки энергии электронов в ударных волнах. «Этот успех побуждает нас продолжить наше исследование, чтобы ответить на оставшиеся нерешёнными загадки, связанные с радиореликтами», — говорит Уиттингем.
Предоставлено Институтом астрофизики Общества Макса Планка.