En un nuevo estudio, los científicos han mapeado campos magnéticos en cúmulos de galaxias, revelando el impacto de las fusiones galácticas en las estructuras de los campos magnéticos y desafiando suposiciones previas sobre la eficiencia de los procesos de dinamo turbulentos en la amplificación de estos campos.
Los cúmulos de galaxias son grandes sistemas unidos gravitacionalmente que contienen numerosas galaxias, gas caliente y materia oscura. Representan algunas de las estructuras más masivas del universo. Estos cúmulos pueden estar formados por cientos o miles de galaxias, unidas por la gravedad, y están incrustadas en vastos halos de gas caliente llamados medio intracúmulo (ICM).
El ICM, compuesto principalmente de hidrógeno y helio ionizados, se mantiene unido gracias a la atracción gravitacional del propio cúmulo. Los campos magnéticos en estructuras a gran escala, como los cúmulos de galaxias, desempeñan un papel fundamental en la configuración de los procesos astrofísicos. Influyen en el ICM, impactan la formación y evolución de galaxias, contribuyen al transporte de rayos cósmicos, participan en la magnetización cósmica y sirven como trazadores de la evolución de estructuras a gran escala.
Estudios y simulaciones anteriores han sugerido que los campos magnéticos dentro de los cúmulos evolucionan, lo que indica su susceptibilidad a la dinámica del cúmulo y experimentan amplificación durante los eventos de fusión.
El estudio, publicado en Nature Communications , utiliza un método llamado gradiente de intensidad de sincrotrón (SIG) para mapear campos magnéticos en cúmulos, especialmente durante las fusiones de galaxias. Este método proporciona una perspectiva única sobre las estructuras del campo magnético y ofrece una herramienta para comparar las expectativas numéricas de las simulaciones con datos de observación.
El estudio fue dirigido por Yue Hu, estudiante de la UW-Madison. El coautor del estudio, el profesor Alex Lazarian de UW-Madison, habló con Phys.org sobre su motivación para estudiar los campos magnéticos en cúmulos de galaxias y dijo:"El objetivo de mi investigación radica en comprender el papel de los campos magnéticos en la astrofísica". ambientes, particularmente en medios magnetizados y turbulentos."
"Durante las últimas dos décadas, he estudiado exhaustivamente la turbulencia magnética y los procesos de reconexión en colaboración con mis alumnos. La técnica utilizada para mapear campos magnéticos en cúmulos de galaxias se basa en los conocimientos teóricos y numéricos adquiridos durante años de investigación". P>
La intensidad del sincrotrón se refiere a la radiación emitida por partículas cargadas, típicamente electrones, mientras giran en espiral a lo largo de las líneas del campo magnético a velocidades relativistas. Este fenómeno se conoce como radiación sincrotrón.
El método SIG introduce una perspectiva única al mapear campos magnéticos a través de un proceso basado en el gradiente de intensidad del sincrotrón. El principio básico detrás de la técnica aplicada implica utilizar las interacciones entre campos magnéticos y fluidos conductores, específicamente gas o plasma ionizado.
La idea clave es que los campos magnéticos influyen en el movimiento de estos fluidos y su resistencia a la flexión hace que sea más fácil discernir su dirección. El profesor Lazarian explicó:"Estos movimientos dan como resultado gradientes de velocidad y las fluctuaciones del campo magnético son perpendiculares al campo magnético. Midiendo estos gradientes, se puede obtener la dirección del campo magnético".
Este enfoque representa una forma novedosa de medir campos magnéticos, desarrollada por el grupo del Prof. Lazarian basándose en estudios fundamentales de magnetohidrodinámica.
"Utiliza datos inicialmente considerados irrelevantes para los estudios de campos magnéticos, lo que nos permite obtener resultados significativos de diversos conjuntos de datos de archivo recopilados para fines no relacionados con las investigaciones de campos magnéticos", afirmó el profesor Lazarian.
Los investigadores obtuvieron mapas de campos magnéticos a las escalas más grandes jamás estudiadas, específicamente en los halos de galaxias dentro de cúmulos de galaxias.
"Confirmamos la precisión de esta técnica comparando las direcciones del campo magnético obtenidas con nuestra técnica con las obtenidas con la tradicional basada en la medición de la polarización. También medimos la precisión de los SIG con simulaciones numéricas", dijo el profesor Lazarian.
El estudio demostró que los SIG abren una nueva vía para mapear campos magnéticos a escalas sin precedentes. La complejidad del movimiento del plasma dentro de los cúmulos de galaxias en fusión se reveló a través de la estructura del campo magnético.
Los hallazgos tienen implicaciones para nuestra comprensión de la dinámica y la evolución de los cúmulos de galaxias, y ofrecen conocimientos únicos sobre el papel de los campos magnéticos en procesos clave dentro de los cúmulos de galaxias.
En las mediciones tradicionales de polarización de sincrotrón, la despolarización desafía el mapeo de campos magnéticos en regiones de cúmulos de galaxias, excepto en el caso de reliquias. A diferencia de otros métodos, los SIG no se ven afectados por la despolarización. Este estudio tuvo como objetivo verificar si los SIG y la polarización indican las mismas direcciones del campo magnético donde está presente la polarización.
Primer autor Ph.D. El estudiante Yue Hu, con las científicas italianas Dra. Annalisa Bonafede y Dra. Chiara Stuardi, probaron con éxito mediciones de campo magnético dentro de reliquias, confirmando la confiabilidad de los mapas de campo magnético SIG. Ph.D. del Prof. Lazarian. Las simulaciones de dinámica de fluidos del estudiante Ka Wai Ho afirmaron aún más la precisión del mapa.
Los SIG proporcionan una manera única de abordar preguntas de larga data sobre el origen, la evolución y los efectos de los campos magnéticos en los cúmulos de galaxias sin enfrentar los desafíos que enfrentan las mediciones tradicionales.
Los SIG también permiten a los investigadores probar y validar las teorías existentes sobre la conducción de calor en el ICM y el desarrollo de flujos de enfriamiento, un proceso poco comprendido.
"La conducción de calor en el plasma intracúmulo (gas completamente ionizado) de ICM se reduce significativamente en la dirección perpendicular al campo magnético. Por lo tanto, la capacidad del calor para ser transportado en diferentes direcciones depende de la estructura del campo magnético. Los cambios de calor La conductividad controla la formación de corrientes de gas frío rodeadas de gas caliente, los llamados flujos de enfriamiento", explicó el profesor Lazarian.
Los rayos cósmicos son partículas cargadas de alta energía que interactúan fuertemente con los campos magnéticos en los halos de los cúmulos de galaxias. El Dr. Gianfranco Brunetti, coautor del artículo, es el principal experto en los procesos de aceleración de los rayos cósmicos en cúmulos de galaxias. Está entusiasmado por revelar la enigmática estructura anterior de los campos magnéticos.
"Se sabe que los cúmulos de galaxias aceleran los rayos cósmicos mediante la interacción de los rayos cósmicos con campos magnéticos en movimiento. La imagen de esta aceleración aún no está clara y depende de la dinámica del campo magnético", afirmó el profesor Lazarian.
Además, los rayos cósmicos siguen la trayectoria de las líneas del campo magnético, lo que significa que su escape de los cúmulos está influenciado por la estructura específica de estos campos magnéticos.
La dinámica de los campos magnéticos dentro de los cúmulos ahora se puede mapear utilizando la técnica SIG, lo que nos ayuda a comprender el funcionamiento de los aceleradores de partículas más grandes del universo.
Los SIG, con su capacidad para mapear campos magnéticos en regiones donde se pierde información de polarización, ofrecen información invaluable sobre los halos de los cúmulos de galaxias y estructuras emisoras de sincrotrones aún más grandes, los recientemente descubiertos Megahalos.
Un equipo internacional, incluido el Dr. Brunetti, del European Low-Frequency Array (LOFAR), un interferómetro de baja frecuencia que abarca varios países europeos, identificó recientemente burbujas gigantescas, 30 veces el volumen del halo galáctico más grande. Estas estructuras, denominadas SIG, proporcionan el único método para mapear campos magnéticos dentro de estas inmensas burbujas cósmicas utilizando datos LOFAR. Investigadores italianos y de Wisconsin consideran este descubrimiento un avance crucial para descubrir los enigmáticos secretos del magnetismo del universo.
Mientras la comunidad astrofísica espera ansiosamente la puesta en funcionamiento del telescopio Square Kilometer Array (SKA) en 2027, el futuro del mapeo de campos magnéticos en cúmulos de galaxias parece prometedor. El SKA proporcionará intensidad de sincrotrón para la técnica SIG, así como polarización que puede emplearse en otras técnicas desarrolladas por el grupo del Prof. Lazarian para estudiar la estructura 3D detallada de los campos magnéticos astrofísicos.
El profesor Lazarian dijo:"La técnica del gradiente es un fruto práctico de una mejor comprensión de los procesos magnetohidrodinámicos fundamentales, lo que nos impulsa a profundizar en estos procesos esenciales. Si bien los beneficios de los estudios fundamentales no siempre son evidentes de inmediato, los avances en la comprensión física clave Los procesos inducen cambios tectónicos que afectan muchos aspectos de la ciencia y la ingeniería."
Más información: Yue Hu et al, gradiente de intensidad de sincrotrón que revela campos magnéticos en cúmulos de galaxias, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45164-8.
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
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