Clusters van sterrenstelsels, de grootste structuren in het universum die gebonden zijn door de zwaartekracht, botsen met een enorme kracht, waardoor schokgolven ontstaan die zich miljoenen lichtjaren uitstrekken. Deze botsingen genereren radiorelikwieën : enorme bogen van radio-emissie, aangedreven door energieke elektronen die in magnetische velden spiraalvormig ronddraaien. Recente waarnemingen hebben echter tegenstrijdigheden blootgelegd: onverwacht sterke magnetische velden, discrepanties tussen radio- en röntgenmetingen van schoksterkte, en schokgolven die te zwak lijken om de waargenomen radio-emissie te verklaren.
Onderzoekers van het AIP-instituut hebben deze puzzels nu opgelost met behulp van een nieuwe benadering van multi-schaalmodellering. Hun werk, gepubliceerd op de arXiv preprint-server, verbindt de fysica van botsingen van clusters van sterrenstelsels – die miljarden lichtjaren bestrijken – met het gedrag van elektronen op schalen die een biljoen keer kleiner zijn.
De sleutel ligt in de manier waarop schokgolven interageren met de buitenranden van het cluster. Wanneer een schokgolf botst met binnenvallend gas, comprimeert deze het materiaal, waardoor een dichte laag ontstaat die naar buiten beweegt. Dit vel komt vervolgens in aanraking met nog meer gasklonters, waardoor turbulentie ontstaat die de magnetische velden versterkt en verdraait tot de waargenomen intensiteiten. Dit proces verklaart de onverwacht hoge magnetische veldsterktes.
Bovendien laat het model zien waarom radio- en röntgenwaarnemingen het niet met elkaar eens zijn. Radio-emissie is afkomstig van de sterkste delen van het schokfront, terwijl röntgenmetingen de gemiddelde, zwakkere schoksterkte weerspiegelen. De discrepantie is geen tegenstrijdigheid; het is een gevolg van het observeren van verschillende delen van hetzelfde fenomeen.
Ten slotte toont het onderzoek aan dat, ook al lijkt de gemiddelde schoksterkte laag, de sterkste gebieden toch elektronen efficiënt van energie kunnen voorzien. Omdat het grootste deel van de radio-emissie afkomstig is van deze gelokaliseerde gebieden met hoge intensiteit, blijft de algemene theorie van elektronenversnelling bij schokken geldig.
Deze doorbraak lost al lang bestaande puzzels rond radio-relikwieën op en verbindt grootschalige structuurvorming met fundamentele deeltjesfysica. Het onderzoeksteam is van plan voort te bouwen op dit succes om de resterende mysteries aan te pakken en zo ons begrip van deze extreme kosmische omgevingen te vergroten
