科学家终于破解了深空巨大“无线电遗迹”背后的宇宙之谜

在星系团合并过程中，弧状冲击波向外传播，将大量能量转化为热量。左图显示气体密度，右图显示耗散能量，具有清晰可见的冲击前沿。图片来源：AIP/J. Whittingham

（蜘蛛网eeook.com）据今日科学新闻：星系团是宇宙的泰坦——巨大的结构包含数百到数千个星系，所有星系都通过引力联系在一起。这些不是安静、和平的聚会。它们移动、进化，有时还会与灾难性的力量发生碰撞。当两个星系团坠毁时，它们释放的能量可与大爆炸本身的规模相媲美，释放出在宇宙中荡漾的冲击波。

这些冲击波席卷散布在星系之间的稀薄气体和粒子云。当波撞击自由漂浮的电子时，它们会围绕磁场旋转和盘旋，将无线电波释放到虚空中。从这场宇宙湍流中出现的东西令人惊讶：无线电遗迹——横跨数百万光年的巨大无线电发射弧线。有些可以跨越超过 600 万光年，只要 60 或 70 个银河系边对边排列。这些遗物像发光的伤疤一样悬挂在宇宙的景观上，提醒人们发生了一场如此强大的碰撞，以至于空间本身似乎产生了共鸣。

然而，尽管无线电遗迹宏伟，但长期以来一直存在一系列顽固的谜团——这些谜题给天文学家带来了挑战，并有可能破坏我们对宇宙冲击波的理解。但现在，波茨坦莱布尼茨天体物理研究所 （AIP） 科学家的新研究提供了突破，揭示了塑造这些结构的隐藏物理过程，并解决了数据中长期存在的矛盾。

从理论上讲，无线电遗迹不应该像它们那样明亮或广阔。它们的存在表明电子、冲击波和磁场之间存在复杂的相互作用——这种相互作用并没有干净地组合在一起。

当观察者测量无线电遗迹内部的磁场时，第一个谜题出现了。结果令人震惊：磁场异常强，远远强于标准模型预测的。似乎有什么东西在放大它们，但科学家们不知道是什么。

第二个谜团源于比较不同波长的数据。当天文学家在无线电光中观察这些宇宙冲击波时，他们检测到了强烈、强大的冲击的证据——这正是为电子提供能量所需的冲击。但当他们使用 X 射线观察同一区域时，冲击强度似乎明显减弱。同样的事件怎么会显得如此不同？

最后的理解差距是最令人不安的。X 射线数据表明，其中许多冲击波太弱，根本无法有效地加速电子。然而，无线电遗迹闪闪发光，这意味着电子正在被通电。这种矛盾给物理学家留下了一个深刻的问题：如果冲击太弱，遗迹是如何形成的？

为了找到答案，AIP 的研究人员接受了天体物理学中最困难的挑战之一：连接发生在几乎难以想象的尺度范围内的物理过程。

Joseph Whittingham 博士领导的工作采用了多步骤、多尺度的战略。首先，该团队通过大规模宇宙学模拟追踪冲击波的诞生——虚拟宇宙揭示了星团如何在数十亿年内形成和演化。然后，他们在受控的高分辨率模拟中重现了这些冲击事件，可以精确地探索每个细节。

最后，他们跟踪了单个电子的旅程，并模拟了这些电子在磁场周围盘旋时产生的无线电波。这使它们能够跨越巨大的尺度，从跨越数百万光年的星团大小到比尘埃颗粒小数万亿倍的电子运动。

通过将这些鳞片拼接在一起，研究人员创造了一些罕见的东西：无线电遗迹如何形成、演变和发光的完整、自洽的图片。

该团队最重要的发现之一涉及当冲击波到达星系团边缘时会发生什么。在那里，它们与从宇宙细丝落入星团的冷气体产生的冲击波发生碰撞。碰撞压缩并重塑周围的等离子体，形成一层致密的气体，向外移动，犁成额外的材料团块。

这种反复冲击撞击成气体团块会产生湍流——扭曲和放大磁场的漩涡、混乱的流动。结果是磁性景观足够强大，可以与观察者的测量相匹配。这解开了射电遗迹的第一个谜团：磁场本身并不强大，而是在星团碰撞过程中通过宇宙湍流而增强的。

该研究的合著者 Christoph Pfrommer 教授解释说，这种自然放大过程将磁场提升到以前认为无法解释的水平。曾经看似异常的东西现在完全符合星团边缘展开的物理故事。

研究人员还揭示了无线电和 X 射线观测长期以来对同一冲击波讲述不同故事的原因。当冲击波穿过团块气体时，只有冲击锋的某些部分会变得明显更强。这些强大的片段产生更亮的无线电发射，使在无线电波长下观察时冲击看起来很强烈。

然而，X 射线对整个冲击锋的平均条件做出反应，包括较弱的区域。因此，X 射线观测描绘了更柔和、强度更小的冲击。

这些发现表明，无线电信号和 X 射线信号并不矛盾——它们只是突出了同一宇宙结构的不同部分。毕竟，这两种形式的辐射并不矛盾;它们是互补的镜头，每个镜头都揭示了 The Shock 个性的不同方面。

最后一个谜团涉及微弱的冲击波和产生无线电遗迹所需的高能电子之间的明显矛盾。根据新发现，只有激波锋的一小部分——最强、最湍流的部分——贡献了大部分无线电信号。这些区域足够强大，可以有效地为电子提供能量。

尽管在 X 射线观测中总体平均冲击强度似乎较低，但对产生无线电波真正重要的部分却很强。因此，矛盾消失了：微弱的平均冲击可以与明亮、高能量的无线电遗迹共存。

惠廷厄姆博士指出，这一见解为更多研究打开了大门，为解开星团碰撞和宇宙冲击波的剩余谜团奠定了基础。

这项研究标志着科学家如何解释无线电遗迹的转折点。曾经看似不可能的事情现在适合一个连贯的、有实际基础的叙述。星系团碰撞不是简单、均匀的碰撞——它们是混乱、湍流和质地丰富的事件。它们的冲击波在错综复杂的气体和磁场景观中荡漾，产生的现象在通过正确的镜头观察之前只会显得自相矛盾。

这一突破还凸显了宇宙本质的深刻意义：即使是宇宙最大的结构也是通过极小尺度上的微妙相互作用塑造的。数百万光年宽的星团之间的碰撞可能取决于单个电子的运动。宇宙尺度上的湍流可以塑造磁场，解决多年来挥之不去的谜题。

这是天体物理学最伟大的力量之一——将无限与无穷小联系起来的能力，揭示宇宙是一个相互联系的、不断发展的整体。

尽管许多大谜题已经解决，但无线电遗迹仍然隐藏着秘密。科学家们渴望了解这些结构如何随着时间的推移而演变，以及它们在各种宇宙环境中可能有何不同。新的望远镜，尤其是低频射电天文台，准备揭开更多的遗迹，每一个都是古代宇宙碰撞的记录。

目前，由于创新的建模和深刻的科学好奇心，无线电遗迹的故事比以往任何时候都更加清晰。曾经看起来像一个矛盾的东西现在成为宇宙复杂性和美丽的证明——在这个宇宙中，冲击波可以延伸数百万光年，电子可以在磁暴中盘旋，宇宙的过去留下发光的弧线，低声诉说着暴力、转变和宇宙重生的故事。

宇宙浩瀚，汹涌澎湃，令人惊喜无穷。无线电遗迹是它最有力的提醒之一，即使在星系之间的空虚中，宇宙也充满了运动、能量和意想不到的光辉。

更多信息：约瑟夫·惠廷厄姆 （Joseph Whittingham） 等人，放大集群无线电遗迹——I.密度波动如何解释马赫数差异、微高斯磁场和光谱指数变化，arXiv （2024）。DOI：10.48550/arxiv.2411.11947