Скупчення галактик, найбільші гравітаційні структури у Всесвіті, стикаються з величезною силою, створюючи ударні хвилі, які поширюються на мільйони світлових років. Ці зіткнення породжують радіорелікти — величезні дуги радіовипромінювання, що живляться енергійними електронами, що обертаються по спіралі в магнітних полях. Однак нещодавні спостереження виявили невідповідності: несподівано сильні магнітні поля, розбіжності між радіо- та рентгенівськими вимірюваннями сили ударної хвилі та ударні хвилі, які здаються занадто слабкими, щоб пояснити спостережене радіовипромінювання.
Дослідники з Інституту передових досліджень (AIP) тепер вирішили ці головоломки за допомогою нового підходу багатомасштабного моделювання. Їхня робота, опублікована на сервері препринтів arXiv, пов’язує фізику зіткнень скупчень галактик, що охоплюють мільярди світлових років, із поведінкою електронів у масштабах у трильйон разів менших.
Ключ полягає в тому, як ударні хвилі взаємодіють із зовнішніми краями кластера. Коли ударна хвиля потрапляє на газ, що падає, він стискає матеріал, утворюючи щільний шар, який рухається назовні. Потім цей шар стикається з подальшими згустками газу, створюючи турбулентність, яка посилює та закручує магнітні поля до спостережуваної інтенсивності. Цей процес пояснює несподівано високу напруженість магнітних полів.
Крім того, модель показує, чому радіо- та рентгенівські спостереження розходяться. Радіовипромінювання походить від найсильніших частин фронту удару, тоді як рентгенівські вимірювання відображають середню, слабшу силу ударної хвилі. Розбіжність не є протиріччям; це наслідок спостереження за різними частинами одного і того ж явища.
Нарешті, дослідження показує, що навіть якщо середня сила ударної хвилі виглядає низькою, найсильніші області все ще можуть ефективно прискорювати електрони. Оскільки більша частина радіовипромінювання надходить із цих локальних областей високої інтенсивності, загальна теорія прискорення електронів ударними хвилями залишається вірною.
Цей прорив вирішує давні загадки навколо радіореліктів, пов’язуючи формування великомасштабних структур із фундаментальною фізикою елементарних частинок. Дослідницька група планує розвивати цей успіх, щоб розгадати загадки, що залишилися, і поглибити наше розуміння цих екстремальних космічних середовищ.
