خوشه‌های کهکشانی تحت شوک: کشف رموز باقی‌مانده‌های رادیویی
توسط تیلو برگمان، مؤسسه لایبنیتز نجوم پوتسدام
خوشه‌های کهکشانی بزرگ‌ترین ساختارهای گرانشی متصل در جهان هستند که هر یک شامل صدها یا حتی هزاران کهکشان می‌شوند. زمانی که دو تا از این غول‌ها به یکدیگر برخورد می‌کنند، موج‌های شوکی قدرتمندی درون یکدیگر ایجاد می‌شود که انرژی‌ای در مقیاسی بی‌سابقه از زمان انفجار بزرگ آزاد می‌کند.
موج‌های شوک الکترون‌ها را می‌پوشانند، به آن‌ها انرژی می‌دهند و باعث می‌شوند هنگام چرخش حول خطوط میدان مغناطیسی، امواج رادیویی ساطع کنند. در نتیجه، «باقی‌مانده رادیویی» شکل می‌گیرد: قوسی وسیع از انتشار رادیویی که می‌تواند بیش از ۶ میلیون سال نوری امتداد داشته باشد، معادل حدود ۶۰ تا ۷۰ کهکشان راه شیری که سر به سر چیده‌اند.
در سال‌های اخیر، معماهای پیرامون باقی‌مانده‌های رادیویی افزایشی یافته‌اند. نخست، هنگامی که مشاهد‌کنندگان شدت میدان مغناطیسی را در یک باقی‌مانده می‌سنجند، متوجه می‌شوند که مقدار آن به‌طوری غیرقابل توضیح بالا است. به همان اندازه جالب، به‌نظر می‌رسد شدت جبههٔ شوک زیرین بسته به این‌که با طول‌موج رادیویی یا پرتو ایکس مشاهده شود، متفاوت باشد.
در نهایت، و شاید مهم‌ترین نکته، داده‌های پرتو ایکس نشان می‌دهند که بسیاری از موج‌های شوکی که باقی‌مانده‌های رادیویی را می‌سازند، در واقع به‌قدری ضعیف هستند که نتوانند الکترون‌ها را به‌درستی انرژی‌پذیرند. این نتایج با وجود خود باقی‌مانده‌های رادیویی در تضاد است.
پژوهشگران مرکز AIP با این حال سرانجام توانستند این مشکلات را با رویکرد نوآورانهٔ چند مقیاسی حل کنند. «کلید موفقیت ما در پرداختن به این مسئله با به‌کارگیری دامنه‌ای گسترده از مقیاس‌ها بود»، دکتر جوزف ویتینگهام، پژوهشگر پسادکتری در AIP و نویسندهٔ اصلی مطالعه‌ای که در مخزن پیش‌چاپ arXiv منتشر شد، توضیح داد.
«ابتدا نحوه شکل‌گیری موج‌های شوک را در شبیه‌سازی‌های کیهانی پیگیری کردیم، سپس آنچه که مشاهده کردیم را در یک محیط ایده‌آل با وضوح بسیار بالاتر بازآفرینی کردیم». در گام نهایی، نویسندگان تحول الکترون‌های انرژی‌پذیر و انتشار رادیویی ناشی از آن را از اصول اولیه ردیابی کردند. بنابراین، مدلسازی آن‌ها فیزیک در مقیاس خوشه‌های کهکشانی را به فرآیندهایی که در مقیاس‌های کوچک همانند مدار الکترون رخ می‌دهد — مقیاس‌هایی که تا یک تریلیون برابر تفاوت دارند — پیوند می‌زند.
پژوهندگان دریافتند که هنگامی که موج‌های شوک به لبهٔ یک خوشه کهکشانی می‌رسند، با سایر شوک‌های تولید شده توسط گاز سردِ در حال سقوط برخورد می‌کنند. این فرآیند مواد اطراف را فشرده کرده و لایهٔ متراکم گازی را ایجاد می‌کند که به سمت بیرون حرکت می‌کند و در مسیر خود به ابرهای گازی دیگر برخورد می‌کند. «کل این مکانیزم توربولانس ایجاد می‌کند، میدان مغناطیسی را به‌طور چرخشی و فشرده‌سازی تا طاقت‌های مشاهده‌شده تقویت می‌کند و به این ترتیب اولین معما حل می‌شود»، استاد مشترک، پروفسور کریستوفر پفرومر گزارش داد.
علاوه بر این، هنگامی که موج شوک از ابرهای گازی عبور می‌کند، بخشی از جبههٔ شوک قوی‌تر می‌شود و باعث تقویت انتشار رادیویی می‌گردد. در مقابل، انتشار پرتو ایکس همچنان میانگین نیروهای ضعیف‌تر شوک را نشان می‌دهد، که این امر توضیح می‌دهد چرا داده‌های دو نوع تشعشع معمولاً با یکدیگر سازگار نیستند و به این ترتیب دومین معما حل می‌شود.
در نهایت، چون بخش اساسی باقی‌ماندهٔ رادیویی توسط قوی‌ترین نقاط جبههٔ شوک شکل می‌گیرد، مقادیر متوسط کمتر استخراج‌شده از داده‌های پرتو ایکس برای نظریهٔ انرژی‌پذیری الکترون‌ها در شوک‌ها مشکلی ایجاد نمی‌کند. «این موفقیت ما را به ادامهٔ پژوهش برای پاسخ به رازهای باقی‌مانده‌های رادیویی که هنوز حل‌نشده‌اند، ترغیب می‌کند»، می‌گوید ویتینگهام.
اطلاعات بیشتر: جوزف ویتینگهام و همکاران، Zooming-in on cluster radio relics—I. How density fluctuations explain the Mach number discrepancy, microgauss magnetic fields, and spectral index variations، arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2411.11947
اطلاعات مجله: arXiv
فراهم شده توسط مؤسسه لایبنیتز نجوم پوتسدام