在一项新的研究中，科学家们绘制了星系团中的磁场图，揭示了星系合并对磁场结构的影响，并挑战了之前关于湍流发电机过程在这些磁场放大中的效率的假设。
星系团是巨大的、受引力束缚的系统，包含无数的星系、热气体和暗物质。它们代表了宇宙中一些最庞大的结构。这些星团可以由数百到数千个星系组成，它们被引力束缚在一起，并嵌入被称为星团内介质(ICM)的巨大热气体晕中。
ICM主要由电离的氢和氦组成，由星团自身的引力维系在一起。像星系团这样的大尺度结构中的磁场在塑造天体物理过程中起着关键作用。它们影响ICM，影响星系的形成和演化，促进宇宙射线输运，参与宇宙磁化，并作为大尺度结构演化的示踪剂。
先前的研究和模拟表明，星系团内的磁场是进化的，表明它们对星系团动力学的敏感性，并在合并事件中经历放大。
这项发表在《自然通讯》上的研究使用了一种称为同步加速器强度梯度(SIG)的方法来绘制星系团中的磁场，特别是在星系合并期间。这种方法为研究磁场结构提供了独特的视角，并提供了一种将模拟结果与观测数据进行比较的工具。
这项研究的主要作者，来自威斯康星大学麦迪逊分校的亚历克斯·拉扎里安教授在接受Phys.org采访时谈到了他研究星系团磁场的动机，他说:“我研究的重点在于了解磁场在天体物理环境中的作用，特别是在磁化和湍流介质中。”
“在过去的二十年里，我与学生合作，广泛研究了磁湍流和重联过程。用于绘制星系团磁场图的技术是基于多年研究中获得的理论和数值见解。”
同步加速器强度指的是带电粒子(通常是电子)以相对论速度沿磁力线旋转时发出的辐射。这种现象被称为同步辐射。
SIG方法通过植根于同步加速器强度梯度的过程来绘制磁场，从而引入了一个独特的视角。应用技术背后的基本原理涉及利用磁场和导电流体之间的相互作用，特别是电离气体或等离子体。
关键的思想是磁场影响这些流体的运动，它们的抗弯曲性使得辨别它们的方向更容易。拉扎里安教授解释说:“这些运动导致速度梯度，磁场波动垂直于磁场。通过测量这些梯度，就可以得到磁场的方向。”
这种方法代表了一种测量磁场的新方法，是由Lazarian教授的团队基于磁流体动力学的基础研究开发的。
“它利用了最初被认为与磁场研究无关的数据，使我们能够从与磁场研究无关的目的收集的各种档案数据集中获得重要的结果，”Lazarian教授说。
研究人员获得了迄今为止研究过的最大尺度的磁场图，特别是在星系团内的星系晕中。
“通过将我们的技术获得的磁场方向与基于测量极化的传统方法获得的磁场方向进行比较，我们证实了这项技术的准确性。我们还通过数值模拟测量了SIGs的准确性，”Lazarian教授说。
这项研究表明，SIGs为在前所未有的大尺度上绘制磁场地图开辟了一条新途径。通过磁场结构揭示了合并星系团内等离子体运动的复杂性。
这些发现对我们对星系团动力学和进化的理解有意义，为磁场在星系团关键过程中的作用提供了独特的见解。
在传统的同步加速器极化测量中，除遗迹外，退极化对星系团区域的磁场测绘提出了挑战。与其他方法不同，SIGs不受去极化的影响。这项研究旨在验证SIGs和极化是否表明存在极化的磁场方向相同。
第一作者胡岳博士与意大利科学家Annalisa Bonafede博士和Chiara Stuardi博士成功测试了遗迹内的磁场测量，证实了SIG磁场图的可靠性。Lazarian教授的博士生Ka Wai Ho的流体动力学模拟进一步肯定了地图的准确性。
sig提供了一种独特的方式来解决关于星系团中磁场的起源、演化和影响的长期问题，而无需面对传统测量所面临的挑战。
SIGs还允许研究人员测试和验证关于ICM热传导和冷却流发展的现有理论，这是一个鲜为人知的过程。
ICM的簇内等离子体(完全电离气体)的热传导在垂直于磁场的方向上显著降低。因此，热量在不同方向上传递的能力取决于磁场的结构。热导率的变化控制了被热气体包围的冷气流的形成，即所谓的冷却气流，”Lazarian教授解释说。
宇宙射线是高能带电粒子，它与星系团晕中的磁场强烈相互作用。Gianfranco Brunetti博士是这篇论文的合著者之一，他是研究星系团中宇宙射线加速过程的权威专家。他对揭示早期神秘的磁场结构感到兴奋。
“众所周知，星系团通过宇宙射线与移动磁场的相互作用来加速宇宙射线。这种加速的情况仍然不清楚，取决于磁场动力学，”拉扎里安教授说。
此外，宇宙射线遵循磁场线的路径，这意味着它们从星系团的逃逸受到这些磁场的特定结构的影响。
星系团内磁场的动态现在可以用SIG技术绘制出来，帮助我们理解宇宙中最大的粒子加速器的运作。
SIGs具有在极化信息丢失的区域绘制磁场的能力，为星系团的光晕甚至更大的同步辐射结构(最近发现的Megahalos)提供了宝贵的见解。
随着天体物理学界热切期待平方公里阵列(SKA)望远镜在2027年投入使用，星系团磁场测绘的未来看起来很有希望。SKA将为SIG技术提供同步加速器强度，并为Lazarian教授团队开发的其他技术提供极化，以研究天体物理磁场的详细3D结构。
Lazarian教授说:“梯度技术是更好地理解基本磁流体动力学过程的实用成果，推动我们深入研究这些基本过程。虽然基础研究的好处可能并不总是立即显现，但在理解关键物理过程方面的进步引发了影响科学和工程许多方面的结构性变化。”
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