In un nuovo studio, gli scienziati hanno mappato i campi magnetici negli ammassi di galassie, rivelando l'impatto delle fusioni galattiche sulle strutture dei campi magnetici e sfidando le ipotesi precedenti sull'efficienza dei processi turbolenti della dinamo nell'amplificazione di questi campi.
Gli ammassi di galassie sono grandi sistemi legati gravitazionalmente contenenti numerose galassie, gas caldo e materia oscura. Rappresentano alcune delle strutture più massicce dell'universo. Questi ammassi possono essere costituiti da centinaia o migliaia di galassie, legate insieme dalla gravità, e sono racchiusi in vasti aloni di gas caldo chiamati intracluster medium (ICM).
L'ICM, costituito principalmente da idrogeno ionizzato ed elio, è tenuto insieme dall'attrazione gravitazionale dell'ammasso stesso. I campi magnetici in strutture su larga scala, come gli ammassi di galassie, svolgono un ruolo fondamentale nel modellare i processi astrofisici. Influenzano l'ICM, influenzano la formazione e l'evoluzione delle galassie, contribuiscono al trasporto dei raggi cosmici, partecipano alla magnetizzazione cosmica e fungono da traccianti dell'evoluzione delle strutture su larga scala.
Studi e simulazioni precedenti hanno suggerito che i campi magnetici all'interno degli ammassi si evolvono, indicando la loro suscettibilità alla dinamica dell'ammasso e sperimentando un'amplificazione durante gli eventi di fusione.
Lo studio, pubblicato su Nature Communications , utilizza un metodo chiamato gradiente di intensità di sincrotrone (SIG) per mappare i campi magnetici negli ammassi, specialmente durante le fusioni di galassie. Questo metodo fornisce una prospettiva unica sulle strutture del campo magnetico e offre uno strumento per confrontare le aspettative numeriche derivanti dalle simulazioni con i dati osservativi.
Lo studio è stato condotto da Yue Hu, studente della UW-Madison. Il coautore dello studio, il Prof. Alex Lazarian dell'UW-Madison, ha parlato a Phys.org della sua motivazione a studiare i campi magnetici negli ammassi di galassie, dicendo:"Il focus della mia ricerca sta nella comprensione del ruolo dei campi magnetici nell'astrofisica ambienti, in particolare in mezzi magnetizzati e turbolenti."
"Negli ultimi due decenni, ho studiato approfonditamente la turbolenza magnetica e i processi di riconnessione in collaborazione con i miei studenti. La tecnica utilizzata per mappare i campi magnetici negli ammassi di galassie si basa sulle intuizioni teoriche e numeriche acquisite in anni di ricerca."
L'intensità del sincrotrone si riferisce alla radiazione emessa da particelle cariche, tipicamente elettroni, mentre si muovono a spirale lungo le linee del campo magnetico a velocità relativistiche. Questo fenomeno è noto come radiazione di sincrotrone.
Il metodo SIG introduce una prospettiva unica mappando i campi magnetici attraverso un processo radicato nel gradiente di intensità del sincrotrone. Il principio di base alla base della tecnica applicata prevede l'utilizzo delle interazioni tra campi magnetici e fluidi conduttivi, in particolare gas ionizzato o plasma.
L’idea chiave è che i campi magnetici influenzano il movimento di questi fluidi e la loro resistenza alla flessione rende più facile discernere la loro direzione. Il Prof. Lazarian ha spiegato:"Questi movimenti provocano gradienti di velocità e le fluttuazioni del campo magnetico sono perpendicolari al campo magnetico. Misurando questi gradienti, si può ottenere la direzione del campo magnetico."
Questo approccio rappresenta un nuovo modo di misurare i campi magnetici, sviluppato dal gruppo del Prof. Lazarian sulla base di studi fondamentali di magnetoidrodinamica.
"Utilizza dati inizialmente ritenuti irrilevanti per gli studi sul campo magnetico, permettendoci di ricavare risultati significativi da diversi set di dati di archivio raccolti per scopi estranei alle indagini sul campo magnetico", ha affermato il prof. Lazarian.
I ricercatori hanno ottenuto mappe dei campi magnetici alle scale più grandi mai studiate, in particolare negli aloni delle galassie all'interno degli ammassi di galassie.
"Abbiamo confermato l'accuratezza di questa tecnica confrontando le direzioni del campo magnetico ottenute con la nostra tecnica con quelle ottenute con quella tradizionale basata sulla misurazione della polarizzazione. Abbiamo anche misurato l'accuratezza dei SIG con simulazioni numeriche", ha affermato il Prof. Lazarian.
Lo studio ha dimostrato che i SIG aprono una nuova strada per mappare i campi magnetici su scale senza precedenti. La complessità del movimento del plasma all'interno degli ammassi di galassie che si fondono è stata rivelata attraverso la struttura del campo magnetico.
I risultati hanno implicazioni per la nostra comprensione della dinamica e dell'evoluzione degli ammassi, offrendo approfondimenti unici sul ruolo dei campi magnetici nei processi chiave all'interno degli ammassi di galassie.
Nelle tradizionali misurazioni della polarizzazione del sincrotrone, la depolarizzazione sfida la mappatura dei campi magnetici nelle regioni degli ammassi di galassie, ad eccezione delle reliquie. A differenza di altri metodi, i SIG rimangono inalterati dalla depolarizzazione. Questo studio mirava a verificare se i SIG e la polarizzazione indicano le stesse direzioni del campo magnetico in cui è presente la polarizzazione.
Primo autore Ph.D. lo studente Yue Hu, con gli scienziati italiani Dott.ssa Annalisa Bonafede e Dott.ssa Chiara Stuardi, ha testato con successo misurazioni del campo magnetico all'interno delle reliquie, confermando l'affidabilità delle mappe del campo magnetico SIG. Dottorato di ricerca del Prof. Lazarian Le simulazioni di fluidodinamica dello studente Ka Wai Ho hanno ulteriormente confermato l'accuratezza della mappa.
I SIG forniscono un modo unico per affrontare domande di lunga data sull'origine, l'evoluzione e gli effetti dei campi magnetici negli ammassi di galassie senza affrontare le sfide poste dalle misurazioni tradizionali.
I SIG consentono inoltre ai ricercatori di testare e convalidare le teorie esistenti riguardanti la conduzione del calore nell'ICM e lo sviluppo dei flussi di raffreddamento, un processo poco compreso.
"La conduzione del calore nel plasma intracluster (gas completamente ionizzato) dell'ICM è significativamente ridotta nella direzione perpendicolare al campo magnetico. Pertanto, la capacità del calore di essere trasportato in direzioni diverse dipende dalla struttura del campo magnetico. I cambiamenti di calore la conduttività controlla la formazione di flussi di gas freddo circondati da gas caldo, i cosiddetti flussi di raffreddamento," ha spiegato il prof. Lazarian.
I raggi cosmici sono particelle cariche ad alta energia che interagiscono fortemente con i campi magnetici negli aloni degli ammassi di galassie. Il dottor Gianfranco Brunetti, coautore dell'articolo, è il massimo esperto dei processi di accelerazione dei raggi cosmici negli ammassi di galassie. È entusiasta di rivelare la precedente struttura enigmatica dei campi magnetici.
"È noto che gli ammassi di galassie accelerano i raggi cosmici attraverso l'interazione dei raggi cosmici con i campi magnetici in movimento. Il quadro di questa accelerazione non è ancora chiaro e dipende dalla dinamica del campo magnetico", ha affermato il prof. Lazarian.
Inoltre, i raggi cosmici seguono i percorsi delle linee del campo magnetico, il che significa che la loro fuga dagli ammassi è influenzata dalla struttura specifica di questi campi magnetici.
La dinamica dei campi magnetici all'interno degli ammassi può ora essere mappata utilizzando la tecnica SIG, aiutandoci a comprendere il funzionamento dei più grandi acceleratori di particelle nell'universo.
I SIG, con la loro capacità di mappare i campi magnetici nelle regioni in cui si perdono le informazioni sulla polarizzazione, offrono informazioni preziose sugli aloni degli ammassi di galassie e sulle strutture ancora più grandi che emettono sincrotrone, i Megahalos scoperti di recente.
Bolle gigantesche, 30 volte il volume del più grande alone galattico, sono state recentemente identificate da un team internazionale, tra cui il dottor Brunetti dell'European Low-Frequency Array (LOFAR), un interferometro a bassa frequenza che abbraccia diversi paesi europei. Queste strutture, denominate SIG, forniscono l’unico metodo per mappare i campi magnetici all’interno di queste immense bolle cosmiche utilizzando i dati LOFAR. Ricercatori italiani e del Wisconsin considerano questa scoperta un progresso cruciale nello svelare gli enigmatici segreti del magnetismo dell'universo.
Mentre la comunità astrofisica attende con impazienza la messa in servizio del telescopio Square Kilometer Array (SKA) nel 2027, il futuro della mappatura del campo magnetico negli ammassi di galassie sembra promettente. Lo SKA fornirà l'intensità del sincrotrone per la tecnica SIG nonché la polarizzazione che può essere impiegata da altre tecniche sviluppate dal gruppo del Prof. Lazarian per studiare la struttura 3D dettagliata dei campi magnetici astrofisici.
Il Prof. Lazarian ha affermato:"La tecnica del gradiente è il frutto pratico di una migliore comprensione dei processi magnetoidrodinamici fondamentali, che ci spinge ad approfondire questi processi essenziali. Anche se i benefici degli studi fondamentali potrebbero non essere sempre immediatamente evidenti, i progressi nella comprensione dei fenomeni fisici chiave i processi inducono cambiamenti tettonici che influenzano molti aspetti della scienza e dell'ingegneria."
Ulteriori informazioni: Yue Hu et al, Gradiente di intensità del sincrotrone che rivela campi magnetici negli ammassi di galassie, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45164-8.
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