科学家利用同步加速器强度梯度绘制了星系团中最大的磁场

四鬼丫头在

埃尔戈多星团磁场的高分辨率图像，包括钱德拉X射线图像（图像的蓝色部分）、美国国家航空航天局JWST红外图像（图像的背景星系）和测量的磁场（流线）。来源:钱德拉X射线:美国国家航空航天局/CXC/罗格斯；JWST红外公司:美国国家航空航天局/欧空局/加空局；磁力线:胡岳。

（）据美国物理学家组织网（泰贾斯里·古鲁拉杰）：在一项新的研究中，科学家绘制了星系团中的磁场地图，揭示了星系合并对磁场结构的影响，并挑战了以前关于湍流发电机过程在放大这些磁场中的效率的假设。

星系团是巨大的引力束缚系统，包含众多星系、热气和暗物质。它们代表了宇宙中一些最庞大的结构。这些星系团可能由数百到数千个星系组成，它们被引力束缚在一起，并嵌入被称为星系团内介质（ICM）的巨大热气晕中。

ICM主要由电离的氢和氦组成，由星团自身的引力保持在一起。像星系团这样的大尺度结构中的磁场在塑造天体物理过程中发挥着关键作用。它们影响ICM，影响星系的形成和演化，促进宇宙线传输，参与宇宙磁化，并作为大尺度结构演化的示踪剂。

先前的研究和模拟表明，星团内的磁场会发生演变，表明它们对星团动态的敏感性，并在合并事件中经历放大。

这项发表在《自然通讯》上的研究使用了一种称为同步加速器强度梯度（SIG）的方法来绘制星系团中的磁场，尤其是在星系合并期间。这种方法为磁场结构提供了一个独特的视角，并提供了一个将模拟的数值预期与观测数据进行比较的工具。

该研究的主要作者，来自UW麦迪逊分校的亚历克斯·拉扎里安教授向Phys.org讲述了他研究星系团磁场的动机，他说:“我研究的重点在于了解磁场在天体物理环境中的作用，特别是在磁化和湍流介质中的作用。”

“在过去的二十年里，我与学生合作广泛研究了磁湍流和重联过程。用于绘制星系团磁场的技术基于多年研究获得的理论和数值见解。”

同步加速器强度梯度

同步加速器强度是指带电粒子（通常是电子）以相对论速度沿磁力线螺旋运动时发出的辐射。这种现象被称为同步辐射。

SIG方法通过基于同步加速器强度梯度的过程绘制磁场，引入了一种独特的视角。应用技术背后的基本原理包括利用磁场和导电流体之间的相互作用，特别是电离气体或等离子体。

关键的想法是磁场影响这些流体的运动，它们对弯曲的阻力使其更容易辨别方向。拉扎里安教授解释说:“这些运动导致了速度梯度，磁场波动垂直于磁场。通过测量这些梯度，人们可以获得磁场的方向。”

这种方法代表了一种测量磁场的新方法，是由拉扎里安教授的团队基于磁流体力学的基础研究开发的。

“它利用了最初被认为与磁场研究无关的数据，使我们能够从为与磁场研究无关的目的收集的不同档案数据集中得出重要结果，”拉扎里安教授说。

绘制磁场图

研究人员获得了有史以来最大尺度的磁场地图，特别是在星系团内的星系晕中。

“我们通过将我们的技术获得的磁场方向与基于测量极化的传统技术获得的磁场方向进行比较，确认了该技术的准确性。拉扎里安教授说:“我们还通过数值模拟来衡量SIGs的准确性。”

这项研究表明，SIGs为在前所未有的大尺度上绘制磁场地图开辟了一条新途径。磁场结构揭示了合并星系团中等离子体运动的复杂性。

这些发现对我们理解星系团动力学和演化具有重要意义，为磁场在星系团内关键过程中的作用提供了独特的见解。

克服去极化

在传统的同步加速器偏振测量中，除遗迹外，去极化对绘制星系团区域的磁场构成了挑战。与其他方法不同，SIGs不受去极化的影响。该研究旨在验证SIGs和极化是否表明存在极化时的磁场方向相同。

第一作者博士生胡岳与意大利科学家安娜丽莎·博纳费德博士和恰拉·斯图阿迪博士成功测试了遗迹内的磁场测量，证实了SIG磁场地图的可靠性。拉扎里安教授的博士生Ka Wai Ho的流体动力学模拟进一步肯定了地图的准确性。

SIGs提供了一种独特的方法来解决关于星系团中磁场的起源、演化和影响的长期问题，而无需面对传统测量所面临的挑战。

离子传导膜中的热传导

SIGs还允许研究人员测试和验证关于ICM中的热传导和冷却流发展的现有理论，这是一个鲜为人知的过程。

“ICM的团簇内等离子体（完全电离的气体）中的热传导在垂直于磁场的方向上显著降低。因此，热量向不同方向传输的能力取决于磁场的结构。热导率的变化控制着被热气包围的冷气流的形成，即所谓的冷却流，”拉扎里安教授解释道。

宇宙射线加速

宇宙射线是高能带电粒子，与星系团晕中的磁场发生强烈相互作用。该论文的合著者吉安弗兰科·布鲁内蒂博士是星系团中宇宙射线加速过程的主要专家。他对揭示磁场的早期神秘结构感到兴奋。

“众所周知，星系团通过宇宙射线与移动磁场的相互作用来加速宇宙射线。这种加速的情况仍不清楚，取决于磁场动力学，”拉扎里安教授说。

此外，宇宙射线遵循磁力线的路径，这意味着它们从星团中逃逸的过程受到这些磁场的特定结构的影响。

现在可以使用SIG技术绘制星团内磁场的动力学，帮助我们了解宇宙中最大的粒子加速器的运行。

总结想法

SIGs能够绘制极化信息丢失区域的磁场，为研究星系团的晕以及更大的同步辐射结构（最近发现的巨型晕）提供了宝贵的见解。

随着天体物理学界热切期待平方公里阵列（SKA）望远镜在2027年投入使用，星系团中磁场测绘的未来看起来很有希望。SKA将为SIG技术提供同步加速器强度以及极化，Lazarian教授的团队开发的其他技术可以采用这些技术来研究天体物理磁场的详细3D结构。

拉扎里安教授说:“梯度技术是更好地理解基本磁流体动力学过程的实际成果，推动我们更深入地研究这些基本过程。虽然基础研究的好处可能并不总是显而易见的，但在理解关键物理过程方面的进展会引发影响科学和工程许多方面的构造变化。”