Nas maiores escalas do universo, aglomerados de galáxias colidem em cataclismos em câmera lenta, deixando para trás arcos imensos e fantasmagóricos – vastas faixas de emissões difusas de rádio que podem se estender por milhões de anos-luz. Forjadas por gigantescas ondas de choque que aceleram os elétrons até a velocidade próxima da da luz, essas estranhas estruturas são conhecidas como “relíquias de rádio”.
Os astrônomos têm catalogado dezenas deles, mas o seu comportamento permaneceu notavelmente difícil de explicar.
Agora, um novo estudo liderado por investigadores do Instituto Leibniz de Astrofísica Potsdam (AIP), na Alemanha, pode ter finalmente resolvido esses mistérios.
Usando simulações de alta resolução, a equipe traçou a formação e evolução de relíquias de rádio e reproduziu com sucesso os comportamentos intrigantes observados em observações reais. Suas descobertas oferecem a imagem mais clara de como essas estruturas enigmáticas se formam e por que têm essa aparência.
“A chave para o nosso sucesso foi abordar o problema usando uma série de escalas”, disse o principal autor do estudo, Joseph Whittingham, pesquisador de pós-doutorado na AIP, em um comunicado.
Para entender como as relíquias de rádio se formam e evoluem, Whittingham e seus colegas escrevem em seu artigo que usaram um grande conjunto de simulações cosmológicas que modelam como aglomerados de galáxias crescem e colidem ao longo de bilhões de anos. A partir desta suíte, a equipe examinou uma fusão particularmente energética e formadora de relíquias entre dois aglomerados de galáxias, onde um era cerca de 2,5 vezes mais pesado que o outro. À medida que os dois aglomerados massivos simulados se fundiram, eles lançaram enormes ondas de choque em forma de arco, abrangendo quase 7 milhões de anos-luz.
Então, usando esses resultados como guia, a equipe construiu simulações de “tubo de choque” de resolução muito mais alta que permitiram aos pesquisadores isolar e rastrear a física em escala precisa de uma única onda de choque interagindo com os arredores turbulentos e irregulares dos aglomerados de galáxias. A partir daí, eles modelaram, a partir dos primeiros princípios, como os elétrons são acelerados na frente de choque e como a emissão de rádio resultante apareceria para os telescópios.
Esta abordagem multiescala, escreveu a equipe no novo estudo, permitiu-lhes resolver “a física que está, até agora, fora do alcance das simulações cosmológicas da geração atual”.
As simulações revelaram que, à medida que uma onda de choque se move para fora através de um enxame de galáxias, acaba por colidir com outros choques criados pelo gás frio que cai da teia cósmica. Esta interação comprime o plasma numa folha densa, que depois se transforma em aglomerados de gás mais pequenos, resultando num redemoinho cósmico que amplifica as forças do campo magnético 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 as forças observadas, resolvendo assim o primeiro quebra-cabeça”, disse o coautor do estudo, Christoph Pfrommer, da AIP, no mesmo comunicado.
O novo trabalho também esclarece que quando um choque atinge densos aglomerados de gás, certas regiões da frente de choque tornam-se acentuadamente melhoradas e aceleram os eletrões de forma mais eficiente, observa o estudo. Estas manchas compactas e brilhantes dominam o sinal de rádio, mas os telescópios de raios X medem a força média do choque, incluindo as suas regiões mais fracas, e isso explica as discrepâncias que os astrónomos notaram há muito tempo, dizem os investigadores.
Finalmente, as simulações mostram que apenas as partes mais fortes e localizadas da frente de choque produzem realmente a maior parte da emissão de rádio, pelo que as baixas intensidades médias inferidas dos raios X não constituem, afinal, uma ameaça para a física subjacente.
Em conjunto, as simulações em múltiplas escalas da equipe reproduzem a combinação de características magnéticas, de rádio e de raios X que os astrônomos veem em relíquias reais, resolvendo vários quebra-cabeças de longa data, dizem os pesquisadores.
“Este sucesso nos motiva a desenvolver nosso estudo para responder aos mistérios não resolvidos que cercam as relíquias de rádio”, disse Whittingham no comunicado.
Os resultados da equipe são descritos em um papel aceito na revista Astronomy & Astrophysics e postado no repositório de artigos pré-impressos arXiv em 18 de novembro.
