Simulacije razrešile misteriju 'radio relikvija': kako šok-talasi stvaraju velike radio-lukove

Na najvećim skalama kosmosa, sudari galaktičkih jata stvaraju ogromne, polako pokretane kataklizme i ostavljaju iza sebe tanke, fantomske lukove — trake difuzne radio-emisije koje se prostiru na milione svetlosnih godina. Te strukture, poznate kao radio relikvije, nastaju kada ogromni šok-talasi ubrzavaju elektrone gotovo do brzine svetlosti.

Problem koji je dugo zbunjivao astronome

Posmatranja rentgen-teleskopa poput Chandra i XMM-Newton, kao i radio-opservatorija, pokazala su niz neobičnosti: magnetna polja u relikvijama često su jača nego što su predviđale teorije, procene jačine šokova u radio i rendgen domenu ne poklapaju se, a ponekad rentgen-merenja sugerišu da su šokovi previše slabi da bi uopšte ubrzali elektrone — što bi osporilo postojanje radio-emisije.

Metod — multi-skalarni pristup

Tim sa Leibniz instituta za astrofiziku Potsdam (AIP), predvođen Josephom Whittinghamom, pristupio je problemu kombinovanjem velikih kosmoloških simulacija i visoko-rezolutnih "shock-tube" modela. Najpre su u kosmološkom nizu simulacija identifikovali snažan sudar dva jata (jedno ~2,5 puta masivnije od drugog) koji je proizveo šok u obliku luka dug skoro 7 miliona svetlosnih godina. Na osnovu tog scenarija, napravili su detaljne lokalne simulacije koje prate finu fiziku šok-fronta dok on interaguje sa neravnomernim, grudvastim i turbulentnim rubovima jata.

"Ključ našeg uspeha bio je pristupanje problemu kroz više skala," rekao je Joseph Whittingham.

Šta su otkrili

Simulacije pokazuju da kako se primarni šok širi kroz jato, on nailazi na druge šokove i hladni gas koji pada iz kosmičke mreže. Te interakcije sabijaju plazmu u gustu ploču koja potom udari u manje gasne grudve. U toj kosmičkoj mešavini nastaje snažna turbulencija koja uvija i kompresuje magnetska polja — povećavajući njihovu jačinu daleko iznad vrednosti koje bi proizveo pojedinačni šok.

"Mehanizam stvara turbulenciju i sabija magnetno polje do posmatranih jačina," kaže koautor Christoph Pfrommer.

Dalje, simulacije pokazuju da prelazak šoka preko gustih grudvi lokalno pojačava front: pojavljuju se svetli, kompaktni regioni koji znatno efikasnije ubrzavaju elektrone i dominiraju radio-emisijom. Rentgen-teleskopi, s druge strane, često mere prosečnu jačinu šoka koja uključuje i slabije delove fronta — što objašnjava zašto merenja u radio i X-zraku mogu davati različite vrednosti.

Zaključno, samo najsnažniji lokalizovani delovi šok-fronta stvaraju većinu radio-svetlosti, pa niska prosečna jačina dobijena iz rendgen-podataka ne poništava mehanizam ubrzavanja. Kombinovane simulacije reproduciraju magnetne, radio i rendgen karakteristike zabeležene u stvarnim relikvijama i rešavaju nekoliko dugotrajnih zagonetki.

Autori ističu da je ovo korak napred i da planiraju dalje proširenje modela kako bi odgovorili na preostala otvorena pitanja o nastanku i razvoju radio relikvija. Rad je prihvaćen za objavljivanje u časopisu Astronomy & Astrophysics i postavljen na arXiv 18. novembra.