在一项新的研究中，科学家们绘制了星系团中的磁场图，揭示了星系合并对磁场结构的影响，并挑战了之前关于湍流发电机过程在放大这些磁场方面的效率的假设。

科学家使用同步加速器强度梯度绘制星系团中最大的磁场

星系团是巨大的、受引力束缚的系统，包含大量星系、热气体和暗物质。它们代表了宇宙中一些最大的结构。这些星团可以由成百上千个星系组成，通过重力结合在一起，并嵌入被称为星团内介质(ICM)的巨大热气晕中。

ICM主要由电离氢和氦组成，通过星团本身的引力结合在一起。大型结构(如星系团)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，有助于宇宙射线传输，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，这表明它们对星团动态的敏感性以及在合并事件期间经历放大。

这项发表在《自然通讯》上的研究使用一种称为同步加速器强度梯度(SIG)的方法来绘制星团中的磁场，特别是在星系合并期间。该方法提供了关于磁场结构的独特视角，并提供了一种将模拟的数值期望与观测数据进行比较的工具。

这项研究由威斯康辛大学麦迪逊分校学生胡悦领导。该研究的合著者、威斯康星大学麦迪逊分校的AlexLazarian教授在接受Phys.org采访时谈到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学中的作用。环境，特别是在磁化和湍流介质中。”

“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图的技术是基于从多年研究中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)以相对论速度沿磁场线旋转时发出的辐射。这种现象称为同步加速器辐射。

SIG方法通过植根于同步加速器强度梯度的过程绘制磁场图，从而引入了独特的视角。该应用技术背后的基本原理涉及利用磁场和导电流体(特别是电离气体或等离子体)之间的相互作用。

关键思想是磁场影响这些流体的运动，并且它们对弯曲的抵抗力使得更容易辨别它们的方向。拉扎里安教授解释说：“这些运动会产生速度梯度，而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，由Lazarian教授的团队基于磁流体动力学的基础研究开发。

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

绘制磁场图

研究人员获得了迄今为止研究过的最大尺度的磁场图，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，确认了这项技术的准确性。我们还通过数值模拟测量了SIG的准确性，”拉扎里安教授说。

该研究表明，SIG开辟了一条在前所未有的大范围内绘制磁场图的新途径。通过磁场的结构揭示了合并星系团内等离子体运动的复杂性。

这些发现对我们理解星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，去偏振对绘制星系团区域(遗迹除外)的磁场提出了挑战。与其他方法不同，SIG不受去极化的影响。本研究旨在验证SIG和极化是否表明存在极化的磁场方向相同。

第一作者博士学生胡悦与意大利科学家AnnalisaBonafede博士和ChiaraStuardi博士成功测试了遗迹内的磁场测量，证实了SIG磁场图的可靠性。Lazarian教授的博士学位学生KaWaiHo的流体动力学模拟进一步证实了地图的准确性。

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

ICM中的热传导

SIG还允许研究人员测试和验证有关ICM中热传导和冷却流开发(这是一个鲜为人知的过程)的现有理论。

“ICM的簇内等离子体(完全电离气体)的热传导在垂直于磁场的方向上显着降低。因此，热量在不同方向上传输的能力取决于磁场的结构。热量的变化电导率控制着被热气体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GianfrancoBrunetti博士是星系团中宇宙射线加速过程的领先专家。他对揭示早期神秘的磁场结构感到兴奋。

“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，并且取决于磁场动力学，”拉扎里安教授说。

此外，宇宙射线遵循磁场线的路径，这意味着它们从星团中逃逸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态图，帮助我们了解宇宙中最大的粒子加速器的运行情况。

结论性想法

SIG能够绘制偏振信息丢失区域的磁场图，为了解星系团的晕甚至更大的同步加速器发射结构(最近发现的巨型晕)提供了宝贵的见解。

一个国际团队最近发现了巨大的气泡，其体积是最大银河晕的30倍，其中包括来自欧洲低频阵列(LOFAR)的Brunetti博士，LOFAR是一种跨越多个欧洲国家的低频干涉​​仪。这些结构(称为SIG)提供了使用LOFAR数据绘制这些巨大宇宙气泡内磁场的唯一方法。意大利和威斯康星州的研究人员认为这一发现是揭示宇宙磁性神秘秘密的关键进步。

天体物理学界热切等待平方公里阵列(SKA)望远镜于2027年投入使用，星系团磁场测绘的未来看起来充满希望。SKA将为SIG技术提供同步加速器强度，并为Lazarian教授小组开发的其他技术提供偏振，以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用成果，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立即显而易见，但在理解关键物理过程方面取得的进展过程引起的构造变化影响了科学和工程的许多方面。”