Nat. Commun.：同步辐射强度梯度揭示星系团中的磁场

在我们浩瀚宇宙的构造中，星系团扮演着举足轻重的角色。这些由星系、气体和神秘的暗物质组成的庞大集合体，不仅构成了宇宙最大尺度结构——宇宙网（cosmic web）的核心，还是被磁场深刻影响的动态系统。这些星系团内的磁场对其演化过程起着决定性作用，它们指引着物质和能量的流动，控制物质吸积和热流的方向。同时这些磁场也在高能带电粒子（即宇宙射线）的加速和束缚发挥着至关重要的作用。

尽管星系团的磁场对于理解宇宙的结构和演化非常关键，但在如此大尺度的星系团内测量磁场一直是一个巨大的挑战。通常，研究星系团中的磁场基于观测同步辐射的偏振方向。然而，由于热电子和湍流磁场导致的法拉第退极化（Faraday depolarization）效应，迄今为止，只有来自射电遗迹（radio relic）的同步辐射偏振信号被探测到。射电晕（radio halo）中的磁场测量至今未能实现，这也是下一代射电望远镜平方公里阵列（SKA）面临的主要挑战之一。

为了克服这些问题，来自威斯康星大学麦迪逊分校、博洛尼亚大学和意大利无线电天文研究所的研究团队将研究重点从同步辐射偏振转向了同步辐射强度梯度（SIG），成功避开了法拉第退极化（Faraday depolarization）的影响。SIG技术基于磁流体动力学（MHD）湍流的物理原理。在MHD湍流中，快速的湍流磁重联使得磁化等离子体更易在垂直于局部磁场的方向上运动。这种运动造成了湍流速度、磁场和同步辐射的拓扑结构在沿着磁场方向的各向异性，这一点已经通过数值模拟（见图1）和太阳风中的等离子体测量得到了验证。同时，SIG技术也成功地测量了银河系的磁场

图1. SIG的数值模拟研究. a：从同步辐射强度梯度（SIG）推断出的磁场方向（红色线段）与偏振法推断的磁场方向（蓝色线段）的比较。b：从SIG和偏振法推断出的磁场的对准测量（AM）在不同星系团视线（LOS）厚度下的变化。AM越接近1标明两种方法的吻合度越高。

该研究团队首次将同步辐射强度梯度（SIG）技术应用于五个巨大的星系团：RXC J1314.4-2515、Abell 2345、Abell 3376、MXCX J0352.4 - 7401和El Gordo。这些星系团的高分辨率射电观测数据由詹斯基超大阵列（JVLA）和MeerKAT望远镜提供。值得注意的是，RXC J1314.4-2515和Abell 2345中射电遗迹的磁场已通过偏振方法进行了测量，而SIG的结果与这些偏振观测高度一致。因此，该团队进一步使用SIG技术测量了El Gordo星系团中的磁场。他们在El Gordo星系团中发现了长达六百万光年的巨大磁场（见图2），这揭示了迄今为止测量的最大尺度上的磁场结构。这个形成于65亿年前的星系团不仅是宇宙重要的组成部分，其巨大磁场的发现也为我们理解宇宙的结构和历史演变提供了关键信息。

图2. 钱德拉X射线望远镜（蓝色光晕部分）和詹姆斯韦伯望远镜（背景图）拍摄的El Gordo星系团照片（由NASA和ESA提供）。该星系团的长度达到了惊人的六百万光年，相当于100个银河系的大小。图中的流线展示了所测量到的巨大磁场。

El Gordo星系团中的磁场拓扑结构证实了星系团合并的理论模型（见图3）：在星系团合并过程中，磁场被拉伸和搅动，并进一步加强。另一方面，大尺度磁场的存在表明，通过湍流进行的磁场强化在其非线性阶段相当低效，在这个阶段，不到10%的湍流动能转化为磁场能量。因此，磁场达到与湍流动能平衡的时间远远超过了星系团合并的持续时间。这些磁场主要是通过大尺度的星系团合并过程而被增强的。这项研究结果为在星系团和大尺度结构中测量磁场开辟了新的视角，并使得检验星系团合并的理论模型成为可能。由于SIG技术不受法拉第退极化效应的影响，它可以应用于许多存在同步辐射的星系团，这在即将到来的平方公里阵列（SKA）和低频阵列（LOFAR）观测的背景下显得尤为重要。

图3. 星系团合并中磁场演化的理论模型。在两个湍流星系团（A）：星系团1和星系团2合并时，磁场在第一阶段的合并激波波中被拉伸并放大（B），随后磁场沿星系团合并轴进一步被拉伸（C），最终在星系团合并过程中产生的湍流中被进一步强化（D）。

该成果于2024年2月6日，论文以 “Synchrotron Intensity Gradient Revealing Magnetic Fields in Galaxy Clusters”为题发表在Nature Communications上，威斯康辛大学麦迪逊分校物理系胡越博士为论文第一作者。天文系教授Alexandra Lazaria和胡越博士为论文共同通讯作者。受Nature Portfolio Communities的邀请，团队在“Behind the Paper”栏目撰稿分享了研究经历。

论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-45164-8