Dans une nouvelle étude, des scientifiques ont cartographié les champs magnétiques dans les amas de galaxies, révélant l'impact des fusions galactiques sur les structures des champs magnétiques et remettant en question les hypothèses antérieures sur l'efficacité des processus dynamo turbulents dans l'amplification de ces champs.
Les amas de galaxies sont de grands systèmes liés gravitationnellement contenant de nombreuses galaxies, des gaz chauds et de la matière noire. Ils représentent certaines des structures les plus massives de l'univers. Ces amas peuvent être constitués de centaines, voire de milliers de galaxies, liées entre elles par la gravité, et sont noyées dans de vastes halos de gaz chauds appelés milieu intraamas (ICM).
L’ICM, composé principalement d’hydrogène et d’hélium ionisés, est maintenu ensemble par l’attraction gravitationnelle de l’amas lui-même. Les champs magnétiques dans les structures à grande échelle, comme les amas de galaxies, jouent un rôle central dans le façonnement des processus astrophysiques. Ils influencent l'ICM, ont un impact sur la formation et l'évolution des galaxies, contribuent au transport des rayons cosmiques, participent à la magnétisation cosmique et servent de traceurs de l'évolution des structures à grande échelle.
Des études et simulations antérieures ont suggéré que les champs magnétiques au sein des amas évoluent, indiquant leur susceptibilité à la dynamique de l'amas et subissant une amplification lors des événements de fusion.
L'étude, publiée dans Nature Communications , utilise une méthode appelée gradient d'intensité synchrotron (SIG) pour cartographier les champs magnétiques dans les amas, notamment lors des fusions de galaxies. Cette méthode offre une perspective unique sur les structures des champs magnétiques et offre un outil pour comparer les attentes numériques des simulations avec les données d'observation.
L'étude a été dirigée par Yue Hu, étudiant à l'UW-Madison. Le co-auteur de l'étude, le professeur Alex Lazarian de l'UW-Madison, a parlé à Phys.org de sa motivation à étudier les champs magnétiques dans les amas de galaxies, déclarant :« L'objectif de mes recherches réside dans la compréhension du rôle des champs magnétiques dans les phénomènes astrophysiques. environnements, en particulier dans les milieux magnétisés et turbulents."
"Au cours des deux dernières décennies, j'ai étudié de manière approfondie la turbulence magnétique et les processus de reconnexion en collaboration avec mes étudiants. La technique utilisée pour cartographier les champs magnétiques dans les amas de galaxies est fondée sur les connaissances théoriques et numériques acquises au cours d'années de recherche."
L'intensité du synchrotron fait référence au rayonnement émis par des particules chargées, généralement des électrons, lorsqu'elles tournent en spirale le long des lignes de champ magnétique à des vitesses relativistes. Ce phénomène est connu sous le nom de rayonnement synchrotron.
La méthode SIG introduit une perspective unique en cartographiant les champs magnétiques grâce à un processus ancré dans le gradient d'intensité du synchrotron. Le principe de base de la technique appliquée consiste à utiliser les interactions entre les champs magnétiques et les fluides conducteurs, en particulier le gaz ou le plasma ionisé.
L’idée clé est que les champs magnétiques influencent le mouvement de ces fluides et que leur résistance à la flexion facilite la détermination de leur direction. Le professeur Lazarian a expliqué :"Ces mouvements entraînent des gradients de vitesse et les fluctuations du champ magnétique sont perpendiculaires au champ magnétique. En mesurant ces gradients, on peut obtenir la direction du champ magnétique."
Cette approche représente une nouvelle façon de mesurer les champs magnétiques, développée par le groupe du professeur Lazarian sur la base d'études fondamentales de la magnétohydrodynamique.
"Il utilise des données initialement jugées non pertinentes pour les études de champ magnétique, ce qui nous permet de tirer des résultats significatifs de divers ensembles de données d'archives collectées à des fins sans rapport avec les études de champ magnétique", a déclaré le professeur Lazarian.
Les chercheurs ont obtenu des cartes des champs magnétiques aux plus grandes échelles jamais étudiées, en particulier dans les halos de galaxies au sein des amas de galaxies.
"Nous avons confirmé la précision de cette technique en comparant les directions du champ magnétique obtenues avec notre technique avec celles obtenues avec la technique traditionnelle basée sur la mesure de la polarisation. Nous avons également évalué la précision des SIG avec des simulations numériques", a déclaré le professeur Lazarian.
L’étude a démontré que les SIG ouvrent une nouvelle voie pour cartographier les champs magnétiques à des échelles sans précédent. La complexité du mouvement du plasma au sein des amas de galaxies en fusion a été révélée par la structure du champ magnétique.
Les résultats ont des implications pour notre compréhension de la dynamique et de l'évolution des amas, offrant des informations uniques sur le rôle des champs magnétiques dans les processus clés au sein des amas de galaxies.
Dans les mesures traditionnelles de polarisation synchrotron, la dépolarisation remet en question la cartographie des champs magnétiques dans les régions des amas de galaxies, à l'exception des reliques. Contrairement à d’autres méthodes, les SIG ne sont pas affectés par la dépolarisation. Cette étude visait à vérifier si les SIG et la polarisation indiquent les mêmes directions de champ magnétique là où la polarisation est présente.
Premier auteur Ph.D. L'étudiant Yue Hu, avec les scientifiques italiennes Annalisa Bonafede et Chiara Stuardi, a testé avec succès les mesures du champ magnétique dans les reliques, confirmant ainsi la fiabilité des cartes de champ magnétique SIG. Ph.D. du professeur Lazarian. Les simulations de dynamique des fluides de l'étudiant Ka Wai Ho ont encore confirmé la précision de la carte.
Les SIG offrent un moyen unique de répondre à des questions de longue date sur l'origine, l'évolution et les effets des champs magnétiques dans les amas de galaxies sans faire face aux défis que posent les mesures traditionnelles.
Les SIG permettent également aux chercheurs de tester et de valider les théories existantes concernant la conduction thermique dans l'ICM et le développement de flux de refroidissement, un processus mal compris.
"La conduction thermique dans le plasma intra-amas (gaz entièrement ionisé) de l'ICM est considérablement réduite dans la direction perpendiculaire au champ magnétique. Ainsi, la capacité de la chaleur à être transportée dans différentes directions dépend de la structure du champ magnétique. Les changements de chaleur La conductivité contrôle la formation de flux de gaz froids entourés de gaz chauds, appelés flux de refroidissement", a expliqué le professeur Lazarian.
Les rayons cosmiques sont des particules chargées de haute énergie qui interagissent fortement avec les champs magnétiques des halos des amas de galaxies. Le Dr Gianfranco Brunetti, co-auteur de l'article, est le principal expert des processus d'accélération des rayons cosmiques dans les amas de galaxies. Il est ravi de révéler la structure énigmatique antérieure des champs magnétiques.
"On sait que les amas de galaxies accélèrent les rayons cosmiques grâce à l'interaction des rayons cosmiques avec des champs magnétiques en mouvement. L'image de cette accélération est encore floue et dépend de la dynamique du champ magnétique", a déclaré le professeur Lazarian.
De plus, les rayons cosmiques suivent les trajectoires des lignes de champ magnétique, ce qui signifie que leur sortie des amas est influencée par la structure spécifique de ces champs magnétiques.
La dynamique des champs magnétiques au sein des amas peut désormais être cartographiée à l'aide de la technique SIG, ce qui nous aide à comprendre le fonctionnement des plus grands accélérateurs de particules de l'univers.
Les SIG, avec leur capacité à cartographier les champs magnétiques dans les régions où les informations de polarisation sont perdues, offrent des informations inestimables sur les halos des amas de galaxies et sur les structures émettrices de synchrotron encore plus grandes, les mégahalos récemment découverts.
Des bulles gigantesques, 30 fois le volume du plus grand halo galactique, ont été récemment identifiées par une équipe internationale, dont le Dr Brunetti du European Low-Frequency Array (LOFAR), un interféromètre basse fréquence couvrant plusieurs pays européens. Ces structures, appelées SIG, constituent la seule méthode permettant de cartographier les champs magnétiques au sein de ces immenses bulles cosmiques à l’aide des données LOFAR. Des chercheurs italiens et du Wisconsin considèrent cette découverte comme une avancée cruciale dans la découverte des secrets énigmatiques du magnétisme de l'univers.
Alors que la communauté astrophysique attend avec impatience la mise en service du télescope Square Kilometer Array (SKA) en 2027, l'avenir de la cartographie du champ magnétique dans les amas de galaxies semble prometteur. Le SKA fournira une intensité synchrotron pour la technique SIG ainsi qu'une polarisation qui pourra être utilisée par d'autres techniques développées par le groupe du professeur Lazarian pour étudier la structure 3D détaillée des champs magnétiques astrophysiques.
Le professeur Lazarian a déclaré :« La technique du gradient est le fruit pratique d'une meilleure compréhension des processus magnétohydrodynamiques fondamentaux, nous poussant à approfondir ces processus essentiels. Même si les avantages des études fondamentales ne sont pas toujours immédiatement apparents, les progrès dans la compréhension des phénomènes physiques clés les processus induisent des changements tectoniques qui affectent de nombreux aspects de la science et de l'ingénierie. "
Plus d'informations : Yue Hu et al, Gradient d'intensité synchrotron révélant des champs magnétiques dans des amas de galaxies, Nature Communications (2024). DOI :10.1038/s41467-024-45164-8.
Informations sur le journal : Communications naturelles
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