Nas maiores escalas do Universo, aglomerados de galáxias colidem numa catástrofe lenta, deixando para trás vastos arcos fantasmagóricos – fitas gigantes de radiação de rádio difusa que podem estender-se por milhões de anos-luz. Formadas por ondas de choque gigantes que aceleram os elétrons quase à velocidade da luz, essas estranhas estruturas são conhecidas como “relíquias de rádio”.
Os astrônomos têm catálogo Existem dezenas deles, mas seu comportamento continua muito difícil de explicar.
Agora, um novo estudo liderado por investigadores do Instituto Leibniz de Astrofísica (AIP) em Potsdam, Alemanha, pode finalmente resolver estes mistérios.
Usando simulações de alta resolução, a equipe acompanhou a formação e evolução de relíquias de rádio e reproduziu com sucesso o comportamento intrigante observado em observações reais. Suas descobertas fornecem a imagem mais clara de como essas estruturas misteriosas se formam e por que têm essa aparência.
“A chave para o nosso sucesso foi usar uma série de escalas para abordar esta questão”, disse o principal autor do estudo, Joseph Whittingham, pós-doutorado na AIP, em um comunicado.
Para compreender como as relíquias de rádio se formaram e evoluíram, Whittingham e os seus colegas escreveram no seu artigo que usaram um conjunto de simulações cosmológicas para modelar como as relíquias de rádio se formaram e evoluíram. Crescimento e colisões de aglomerados de galáxias Por bilhões de anos. Nesta suíte, a equipe examinou uma fusão particularmente ativa de formação de remanescentes entre dois aglomerados de galáxias, um dos quais é cerca de 2,5 vezes mais massivo que o outro. Quando dois gigantescos aglomerados estelares simulados se fundiram, eles dispararam uma enorme onda de choque em forma de arco que se estendeu por quase 7 milhões de anos-luz.
Depois, usando estes resultados como guia, a equipa construiu simulações de “tubo de choque” de alta resolução, permitindo aos investigadores isolar e seguir a física fina dos choques individuais que interagem com os confins exteriores irregulares e turbulentos do aglomerado de galáxias. A partir daí, modelaram os princípios básicos de como os eletrões aceleram na frente de choque e como as emissões de rádio resultantes aparecem nos telescópios.
Esta abordagem multiescala permitiu-lhes abordar “questões de física que até agora eram inacessíveis às simulações cosmológicas contemporâneas”, escreve a equipe no novo estudo.
Simulações mostram que, à medida que a onda de choque se move para fora através do aglomerado de galáxias, ela acabará colidindo com outros choques de gás frio que cai da teia cósmica. Esta interação comprime o plasma em camadas densas e depois colide com pequenos aglomerados de gás, criando vórtices cósmicos com intensidades de campo magnético que amplificam muito além do que um único choque poderia alcançar – correspondendo aos valores inesperadamente fortes observados nas observações.
“Todo o mecanismo gera turbulência, torcendo e comprimindo o campo magnético até atingir a intensidade observada, resolvendo assim o primeiro quebra-cabeça”, disse o coautor do estudo, Christoph Pfrommer, da AIP, no mesmo comunicado.
O novo trabalho também ilustra que quando uma onda de choque atravessa um aglomerado denso de gás, certas regiões da frente de choque são fortemente intensificadas e aceleram os electrões de forma mais eficiente, observou o estudo. Estas manchas brilhantes e compactas dominam o sinal de rádio, mas os telescópios de raios X mediram a força média da onda de choque, incluindo as suas regiões mais fracas, explicando as diferenças que os astrónomos notaram há muito tempo, disseram os investigadores.
Finalmente, as simulações mostram que apenas as partes locais mais fortes da frente de choque geram realmente a maior parte das emissões de rádio, pelo que a baixa intensidade média inferida dos raios X não representa, afinal, uma ameaça para a física subjacente.
No geral, as simulações multiescala da equipe reproduzem a combinação de assinaturas magnéticas, de rádio e de raios X que os astrônomos veem em ruínas reais, resolvendo vários quebra-cabeças de longa data, disseram os pesquisadores.
“Este sucesso nos inspira a desenvolver nossa pesquisa e a responder mistérios não resolvidos sobre relíquias de rádio”, disse Whittingham em comunicado.
Os resultados da equipe estão descritos em Papel Foi aceito pela revista Astronomy and Astrophysics e publicado no repositório de artigos pré-impressos arXiv em 18 de novembro.
