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科學家利用同步加速器強度梯度繪製了星系
上圖是埃爾戈多星團磁場的高分辨率圖像﹐包括錢德拉X射線圖像(圖像的藍色部分)﹑美國國家航空航天局JWST紅外圖像(圖像的背景星系)和測量的磁場(流線)。
在一項新的研究中科學家繪製了星系團中的磁場地圖﹐揭示了星系合併對磁場結構的影響並挑戰了以前關於湍流發電機過程在放大這些磁場中的效率的假設。星系團是巨大的引力束縛系統﹐包含眾多星系﹑熱氣和暗物質。它們代表了宇宙中一些最龐大的結構。這些星系團可能由數百到數千個星系組成﹐它們被引力束縛在一起並嵌入被稱為星系團內介質(ICM)的巨大熱氣暈中。
ICM主要由電離的氫和氦組成﹐由星團自身的引力保持在一起。像星系團這樣的大尺度結構中的磁場在塑造天體物理過程中發揮著關鍵作用。它們影響ICM﹐影響星系的形成和演化﹐促進宇宙線傳輸﹐參與宇宙磁化並作為大尺度結構演化的示蹤劑。
先前的研究和模擬表明﹐星團內的磁場會發生演變﹐表明它們對星團動態的敏感性並在合併事件中經歷放大。這項發表在《自然通訊》上的研究使用了一種稱為同步加速器強度梯度(SIG)的方法來繪製星系團中的磁場﹐尤其是在星系合併期間。這種方法為磁場結構提供了一個獨特的視角並提供了一個將模擬的數值預期與觀測數據進行比較的工具。
該研究人員講述﹕「我研究的重點在於瞭解磁場在天體物理環境中的作用﹐特別是在磁化和湍流介質中的作用。」「在過去的二十年裡﹐我與學生合作廣泛研究了磁湍流和重聯過程。用於繪製星系團磁場的技術基於多年研究獲得的理論和數值見解。」。
同步加速器強度是指帶電粒子(通常是電子)以相對論速度沿磁力線螺旋運動時發出的輻射。這種現象被稱為同步輻射。SIG方法通過基於同步加速器強度梯度的過程繪製磁場引入了一種獨特的視角。應用技術背後的基本原理包括利用磁場和導電流體之間的相互作用﹐特別是電離氣體或等離子體。
關鍵的想法是磁場影響這些流體的運動﹐它們對彎曲的阻力使其更容易辨別方向。研究人員解釋說﹕「這些運動導致了速度梯度﹐磁場波動垂直於磁場。通過測量這些梯度﹐人們可以獲得磁場的方向。」這種方法代表了一種測量磁場的新方法是由研究團隊基於磁流體力學的基礎研究開發。
「它利用了最初被認為與磁場研究無關的數據﹐使我們能夠從為與磁場研究無關的目的收集的不同檔案數據集中得出重要結果﹐」研究人員說。
研究人員獲得了有史以來最大尺度的磁場地圖﹐特別是在星系團內的星系暈中。「我們通過將我們的技術獲得的磁場方向與基於測量極化的傳統技術獲得的磁場方向進行比較﹐確認了該技術的準確性。研究人員說﹕「我們還通過數值模擬來衡量SIGs的準確性。」。這項研究表明﹐SIGs為在前所未有的大尺度上繪製磁場地圖開闢了一條新途徑。磁場結構揭示了合併星系團中等離子體運動的複雜性。這些發現對我們理解星系團動力學和演化具有重要意義﹐為磁場在星系團內關鍵過程中的作用提供了獨特的見解。
在傳統的同步加速器偏振測量中﹐除遺跡外﹐去極化對繪製星系團區域的磁場構成了挑戰。與其他方法不同﹐SIGs不受去極化的影響。該研究旨在驗證SIGs和極化是否表明存在極化時的磁場方向相同。意大利科學家成功測試了遺跡內的磁場測量﹐證實了SIG磁場地圖的可靠性。研究隊的流體動力學模擬進一步肯定了地圖的準確性。
SIGs提供了一種獨特的方法來解決關於星系團中磁場的起源﹑演化和影響的長期問題而無需面對傳統測量所面臨的挑戰。SIGs還允許研究人員測試和驗證關於ICM中的熱傳導和冷卻流發展的現有理論﹐這是一個鮮為人知的過程。「ICM的團簇內等離子體(完全電離的氣體)中的熱傳導在垂直於磁場的方向上顯著降低。因此﹐熱量向不同方向傳輸的能力取決於磁場的結構。熱導率的變化控制著被熱氣包圍的冷氣流的形成﹐即所謂的冷卻流﹐」研究人員解釋道。
宇宙射線是高能帶電粒子與星系團暈中的磁場發生強烈相互作用。「眾所周知﹐星系團通過宇宙射線與移動磁場的相互作用來加速宇宙射線。這種加速的情況仍不清楚取決於磁場動力學﹐」研究人員說。
此外﹐宇宙射線遵循磁力線的路徑﹐這意味著它們從星團中逃逸的過程受到這些磁場的特定結構的影響。現在可以使用SIG技術繪製星團內磁場的動力學﹐幫助我們瞭解宇宙中最大的粒子加速器的運行。SIGs能夠繪製極化信息丟失區域的磁場為研究星系團的暈以及更大的同步輻射結構(最近發現的巨型暈)提供了寶貴的見解。
隨著天體物理學界熱切期待平方公里陣列(SKA)望遠鏡在2027年投入使用﹐星系團中磁場測繪的未來看起來很有希望。SKA將為SIG技術提供同步加速器強度以及極化﹐研究團隊開發的其他技術可以採用這些技術來研究天體物理磁場的詳細3D結構。
研究人員說﹕「梯度技術是更好地理解基本磁流體動力學過程的實際成果﹐推動我們更深入地研究這些基本過程。雖然基礎研究的好處可能並不總是顯而易見的﹐但在理解關鍵物理過程方面的進展會引發影響科學和工程許多方面的構造變化。」。
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