Num novo estudo, os cientistas mapearam campos magnéticos em aglomerados de galáxias, revelando o impacto das fusões galácticas nas estruturas do campo magnético e desafiando suposições anteriores sobre a eficiência dos processos turbulentos de dínamo na amplificação destes campos.



Os aglomerados de galáxias são grandes sistemas gravitacionalmente ligados, contendo numerosas galáxias, gás quente e matéria escura. Eles representam algumas das estruturas mais massivas do universo. Esses aglomerados podem consistir de centenas a milhares de galáxias, unidas pela gravidade, e estão incorporadas em vastos halos de gás quente chamados meio intracluster (ICM).

O ICM, consistindo principalmente de hidrogênio ionizado e hélio, é mantido unido pela força gravitacional do próprio aglomerado. Os campos magnéticos em estruturas de grande escala, como aglomerados de galáxias, desempenham papéis essenciais na formação de processos astrofísicos. Eles influenciam o ICM, impactam a formação e evolução de galáxias, contribuem para o transporte de raios cósmicos, participam da magnetização cósmica e servem como traçadores da evolução estrutural em grande escala.

Estudos e simulações anteriores sugeriram que os campos magnéticos dentro dos aglomerados evoluem, indicando sua suscetibilidade à dinâmica do aglomerado e experimentando amplificação durante eventos de fusão.

O estudo, publicado na Nature Communications , usa um método chamado gradiente de intensidade síncrotron (SIG) para mapear campos magnéticos em aglomerados, especialmente durante fusões de galáxias. Este método fornece uma perspectiva única sobre estruturas de campos magnéticos e oferece uma ferramenta para comparar expectativas numéricas de simulações com dados observacionais.

O estudo foi liderado por Yue Hu, estudante da UW-Madison. O co-autor do estudo, Prof. Alex Lazarian da UW-Madison, falou ao Phys.org sobre sua motivação para estudar campos magnéticos em aglomerados de galáxias, dizendo:"O foco da minha pesquisa está na compreensão do papel dos campos magnéticos na astrofísica. ambientes, particularmente em meios magnetizados e turbulentos."

"Ao longo das últimas duas décadas, estudei extensivamente a turbulência magnética e os processos de reconexão em colaboração com os meus alunos. A técnica usada para mapear campos magnéticos em aglomerados de galáxias baseia-se nos conhecimentos teóricos e numéricos obtidos em anos de investigação."

Gradiente de intensidade síncrotron

A intensidade síncrotron refere-se à radiação emitida por partículas carregadas, normalmente elétrons, à medida que espiralam ao longo das linhas do campo magnético em velocidades relativísticas. Este fenômeno é conhecido como radiação síncrotron.

O método SIG introduz uma perspectiva única ao mapear campos magnéticos através de um processo enraizado no gradiente de intensidade síncrotron. O princípio básico por trás da técnica aplicada envolve a utilização das interações entre campos magnéticos e fluidos condutores, especificamente gás ionizado ou plasma.

A ideia principal é que os campos magnéticos influenciam o movimento destes fluidos, e a sua resistência à flexão torna mais fácil discernir a sua direção. O professor Lazarian explicou:"Esses movimentos resultam em gradientes de velocidade, e as flutuações do campo magnético são perpendiculares ao campo magnético. Medindo esses gradientes, pode-se obter a direção do campo magnético."

Esta abordagem representa uma nova forma de medir campos magnéticos, desenvolvida pelo grupo do Prof. Lazarian com base em estudos fundamentais de magnetohidrodinâmica.

"Ele utiliza dados inicialmente considerados irrelevantes para estudos de campo magnético, permitindo-nos obter resultados significativos de diversos conjuntos de dados de arquivo coletados para fins não relacionados às investigações de campo magnético", disse o Prof.

Mapeamento de campos magnéticos

Os pesquisadores obtiveram mapas de campos magnéticos nas maiores escalas já estudadas, especificamente nos halos de galáxias dentro de aglomerados de galáxias.

"Confirmamos a precisão desta técnica comparando as direções do campo magnético obtidas com nossa técnica com aquelas obtidas com a tradicional baseada na medição da polarização. Também medimos a precisão dos SIGs com simulações numéricas, "disse o Prof.

O estudo demonstrou que os SIGs abrem um novo caminho para mapear campos magnéticos em escalas sem precedentes. A complexidade do movimento do plasma dentro de aglomerados de galáxias em fusão foi revelada através da estrutura do campo magnético.

As descobertas têm implicações para a nossa compreensão da dinâmica e evolução dos aglomerados, oferecendo insights únicos sobre o papel dos campos magnéticos em processos-chave dentro dos aglomerados de galáxias.

Superando a despolarização

Nas medições tradicionais de polarização síncrotron, a despolarização desafia o mapeamento de campos magnéticos em regiões de aglomerados de galáxias, exceto para relíquias. Ao contrário de outros métodos, os SIGs não são afetados pela despolarização. Este estudo teve como objetivo verificar se os SIGs e a polarização indicam as mesmas direções do campo magnético onde a polarização está presente.

Primeiro autor Ph.D. a estudante Yue Hu, com os cientistas italianos Dra. Annalisa Bonafede e Dra. Chiara Stuardi, testaram com sucesso medições de campo magnético dentro de relíquias, confirmando a confiabilidade dos mapas de campo magnético da SIG. Ph.D. do Prof. as simulações de dinâmica de fluidos do estudante Ka Wai Ho afirmaram ainda mais a precisão do mapa.

Os SIGs fornecem uma maneira única de abordar questões de longa data sobre a origem, evolução e efeitos dos campos magnéticos em aglomerados de galáxias, sem enfrentar os desafios que as medições tradicionais enfrentam.

Condução de calor no ICM

Os SIGs também permitem aos pesquisadores testar e validar as teorias existentes sobre a condução de calor no ICM e o desenvolvimento de fluxos de resfriamento, um processo pouco compreendido.

"A condução de calor no plasma intracluster (gás totalmente ionizado) do ICM é significativamente reduzida na direção perpendicular ao campo magnético. Assim, a capacidade do calor de ser transportado em diferentes direções depende da estrutura do campo magnético. As mudanças no calor a condutividade controla a formação de fluxos de gás frio rodeados por gás quente, os chamados fluxos de resfriamento", explicou o Prof. Lazarian.

Aceleração dos raios cósmicos

Os raios cósmicos são partículas carregadas de alta energia que interagem fortemente com campos magnéticos em halos de aglomerados de galáxias. Dr. Gianfranco Brunetti, co-autor do artigo, é o principal especialista nos processos de aceleração de raios cósmicos em aglomerados de galáxias. Ele está entusiasmado em revelar a estrutura enigmática anterior dos campos magnéticos.

“Sabe-se que aglomerados de galáxias aceleram os raios cósmicos através da interação dos raios cósmicos com campos magnéticos em movimento. A imagem desta aceleração ainda não é clara e depende da dinâmica do campo magnético”, disse o Prof.

Além disso, os raios cósmicos seguem os caminhos das linhas do campo magnético, o que significa que a sua fuga dos aglomerados é influenciada pela estrutura específica destes campos magnéticos.

A dinâmica dos campos magnéticos dentro dos aglomerados pode agora ser mapeada usando a técnica SIG, ajudando-nos a compreender o funcionamento dos maiores aceleradores de partículas do universo.

Considerações finais

Os SIGs, com a sua capacidade de mapear campos magnéticos em regiões onde a informação de polarização é perdida, oferecem informações valiosas sobre os halos de aglomerados de galáxias e estruturas emissoras de síncrotrons ainda maiores, os recentemente descobertos Megahalos.

Bolhas gigantescas, 30 vezes o volume do maior halo galáctico, foram recentemente identificadas por uma equipa internacional, incluindo o Dr. Brunetti do European Low-Frequency Array (LOFAR), um interferómetro de baixa frequência que abrange vários países europeus. Estas estruturas, referidas como SIGs, fornecem o único método para mapear campos magnéticos dentro destas imensas bolhas cósmicas usando dados LOFAR. Pesquisadores italianos e de Wisconsin consideram esta descoberta um avanço crucial na descoberta dos segredos enigmáticos do magnetismo do universo.

Enquanto a comunidade astrofísica aguarda ansiosamente o comissionamento do telescópio Square Kilometer Array (SKA) em 2027, o futuro do mapeamento do campo magnético em aglomerados de galáxias parece promissor. O SKA fornecerá intensidade síncrotron para a técnica SIG, bem como polarização que pode ser empregada por outras técnicas desenvolvidas pelo grupo do Prof. Lazarian para estudar a estrutura 3D detalhada dos campos magnéticos astrofísicos.

O professor Lazarian disse:"A técnica do gradiente é um fruto prático de uma melhor compreensão dos processos magnetohidrodinâmicos fundamentais, impulsionando-nos a nos aprofundarmos nesses processos essenciais. Embora os benefícios dos estudos fundamentais possam nem sempre ser imediatamente aparentes, os avanços na compreensão dos principais aspectos físicos processos induzem mudanças tectônicas que afetam muitos aspectos da ciência e da engenharia."

Mais informações: Yue Hu et al, Gradiente de intensidade síncrotron revelando campos magnéticos em aglomerados de galáxias, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45164-8.
Informações do diário: Comunicações da Natureza

© 2024 Science X Network