Gromady galaktyk, największe struktury we Wszechświecie związane grawitacją, zderzają się z ogromną siłą, tworząc fale uderzeniowe rozciągające się na miliony lat świetlnych. Zderzenia te generują relikty radiowe — ogromne łuki emisji radiowej zasilane przez energetyczne elektrony krążące spiralnie w polach magnetycznych. Jednak ostatnie obserwacje ujawniły niespójności: nieoczekiwanie silne pola magnetyczne, rozbieżności między radiowymi i rentgenowskimi pomiarami siły fali uderzeniowej oraz fale uderzeniowe, które wydają się zbyt słabe, aby wyjaśnić obserwowaną emisję radiową.
Naukowcy z Instytutu Studiów Zaawansowanych (AIP) rozwiązali teraz te zagadki, korzystając z nowego podejścia do modelowania wieloskalowego. Ich praca, opublikowana na serwerze preprint arXiv, łączy fizykę zderzeń gromad galaktyk rozciągających się na miliardy lat świetlnych z zachowaniem elektronów w skalach bilion razy mniejszych.
Klucz leży w tym, jak fale uderzeniowe oddziałują z zewnętrznymi krawędziami gromady. Kiedy fala uderzeniowa uderza w opadający gaz, ściska materiał, tworząc gęstą warstwę, która przemieszcza się na zewnątrz. Warstwa ta następnie zderza się z kolejnymi grudkami gazu, tworząc turbulencje, które wzmacniają i skręcają pola magnetyczne do obserwowanych intensywności. Proces ten wyjaśnia nieoczekiwanie wysokie natężenie pól magnetycznych.
Ponadto model pokazuje, dlaczego obserwacje radiowe i rentgenowskie różnią się od siebie. Emisja radiowa pochodzi z najsilniejszych części frontu uderzeniowego, natomiast pomiary rentgenowskie odzwierciedlają średnią, słabszą siłę fali uderzeniowej. Rozbieżność nie jest sprzecznością; jest to konsekwencja obserwacji różnych części tego samego zjawiska.
Wreszcie badanie pokazuje, że nawet jeśli średnia siła fali uderzeniowej wydaje się niska, najsilniejsze obszary mogą nadal skutecznie przyspieszać elektrony. Ponieważ większość emisji radiowej pochodzi z tych lokalnych obszarów o dużym natężeniu, ogólna teoria przyspieszania elektronów przez fale uderzeniowe pozostaje poprawna.
Ten przełom rozwiązuje długotrwałe zagadki dotyczące reliktów radiowych, łącząc powstawanie struktur wielkoskalowych z podstawową fizyką cząstek elementarnych. Zespół badawczy planuje wykorzystać ten sukces do rozwiązania pozostałych tajemnic, pogłębiając naszą wiedzę na temat tych ekstremalnych środowisk kosmicznych.
