(English follows Dutch)
Nieuwe observaties en simulaties laten zien dat de jets die van twee kanten uit superzware zwarte gaten schieten, de structuur bloot kunnen leggen van de onzichtbare magnetische velden tussen clusters van sterrenstelsels. Deze ontdekking biedt astronomen een nieuw hulpmiddel om onderzoek te doen naar voorheen onontgonnen aspecten van clusters. Publicatie in Nature op 5 mei.
Clusters van sterrenstelsels worden steeds zwaarder door botsingen met omringende materie, die zorgen voor boogschokken in het ijle plasma tussen de sterrenstelsels in—het intra-cluster medium. De beweging van het plasma zorgt voor magnetische lagen in het medium, een soort virtuele muren van magnetische kracht. Maar die kunnen we alleen zien als ze een wisselwerking vertonen met iets. Omdat dit erg moeilijk is waar te nemen, begrijpen we nog maar weinig van de natuurkunde achter intra-cluster magnetische velden. Een nieuwe manier om de magnetische lagen in kaart te brengen komt dus goed van pas.
Een internationaal team van astronomen, waaronder Hiroki Akamatsu van SRON, heeft met de Zuid-Afrikaanse MeerKAT-radiotelescoop een helder sterrenstelsel bestudeerd in het samensmeltende cluster Abell 3376, genaamd MRC 0600-399. Dit sterrenstelsel staat bekend om zijn ongebruikelijke jet-structuren, die gebogen staan onder hoeken van 90 graden. Eerdere röntgenwaarnemingen lieten al zien dat MRC 0600-399 de kern is van een subcluster dat een grotere cluster van sterrenstelsels doorboort, en dat er sterke magnetische lagen aanwezig zijn op de grens tussen het grote cluster en de subclusters. Deze aspecten maken MRC 0600-399 een ideaal laboratorium om de wisselwerking te bestuderen tussen jets en magnetische lagen.
De MeerKAT-waarnemingen tonen de jets in ongekend detail, met als meest in het oog springend een “dubbele zeis”-structuur (Double-scythe) die zich uitstrekt in een T-vorm in de tegenovergestelde richting van de buigpunten. Deze nieuwe details laten zien dat het een zeer chaotische botsing is, zoals een waterstraal op een ruit uiteenspat. Een speciaal gebouwde computersimulatie geeft een match met een sterk magnetisch veld in de vorm van een boog (figuur rechts), nog zonder inachtneming van complicerende factoren zoals turbulentie en bewegingen van sterrenstelsels. De match betekent een proof-of-concept voor het in kaart brengen van magnetische structuren aan de hand van de vormen van de jets in een cluster. In de toekomst kunnen we dus ook simulaties gebruiken om complexere magnetische veldconfiguraties binnen clusters te karakteriseren. Het biedt astronomen een nieuwe manier om het gemagnetiseerde heelal te doorgronden en een nieuw hulpmiddel om de data van hogere kwaliteit te analyseren van toekomstige radiotelescopen zoals de Square Kilometer Array (SKA).
Publicatie
James O. Chibueze, Haruka Sakemi, Takumi Ohmura, Mami Machida, Hiroki Akamatsu, Takuya Akahori, Hiroyuki Nakanishi, Viral Parekh, Ruby van Rooyen, and Tsutomu T. Takeuchi, “Jets from MRC 0600-399 bent by magnetic fields in the cluster Abell 3376”, Nature
Onderschrift header image: De gebogen jet-structuren vanuit MRC 0600-399, waargenomen door de MeerKAT radiotelescoop (links) worden gereproduceerd door de simulatie van het onderzoeksteam (rechts). Het naburige sterrenstelsel in het linkerdeel van de MeerKAT-foto heeft geen interactie met de jet en ontbreekt daarom in de simulatie. Credit: Chibueze, Sakemi, Ohmura et al. (MeerKAT afbeelding); Takumi Ohmura, Mami Machida, Hirotaka Nakayama, 4D2U Project, NAOJ, ATERUI II supercomputer (simulatie-afbeelding)
A New Window to the Hidden Side of the Magnetized Universe
New observations and simulations show that jets of high-speed particles emitted by supermassive black holes can be used to map the structure of invisible inter-cluster magnetic fields. These findings provide astronomers with a new tool for investigating previously unexplored aspects of clusters of galaxies. Publication in Nature on May 5th.
Clusters of galaxies grow through collisions with surrounding matter, which create bow shocks in the dilute plasma. The plasma motion induced by these activities can drape intra-cluster magnetic layers, forming virtual walls of magnetic force. These magnetic layers, however, can only be observed indirectly when something interacts with them. Because it is difficult to identify such interactions, the nature of intra-cluster magnetic fields remains poorly understood. A new approach to map and characterize magnetic layers is highly desired.
An international team of astronomers, including Hiroki Akamatsu (SRON Netherlands Institute for Space Research), used the MeerKAT radio telescope located in South Africa to observe a bright galaxy in the merging galaxy cluster Abell 3376 known as MRC 0600-399. Located more than 600 million light-years away in the direction of the constellation Columba, MRC 0600-399 is known to have unusual jet structures bent to 90-degree angles. Previous X-ray observations revealed that MRC 0600-399 is the core of a sub-cluster penetrating the main cluster of galaxies, indicating the presence of strong magnetic layers at the boundary between the main and sub-clusters. These features make MRC 0600-399 an ideal laboratory to investigate interactions between jets and strong magnetic layers.
The MeerKAT observations revealed unprecedented details of the jets, most strikingly, faint “double-scythe” structure extending in the opposite direction from the bend points and creating a “T” shape. These new details show that, like a stream of water hitting a pane of glass, this is a very chaotic collision. Dedicated computer simulations are required to explain the observed jet morphology and possible magnetic field configurations.
The team performed simulations on NAOJ’s supercomputer ATERUI II, the most powerful computer in the world dedicated to astronomical calculations. The simulations assumed an arch-like strong magnetic field, neglecting messy details like turbulence and the motion of the galaxy. This simple model provides a good match to the observations, indicating that the magnetic pattern used in the simulation reflects the actual magnetic field intensity and structure around MRC 0600-399. More importantly, it demonstrates that the simulations can successfully represent the underlying physics so that they can be used on other objects to characterize more complex magnetic field structures in clusters of galaxies. This provides astronomers with a new way to understand the magnetized Universe and a tool to analyze the higher-quality data from future radio observatories like the SKA (the Square Kilometre Array).
Publication
James O. Chibueze, Haruka Sakemi, Takumi Ohmura, Mami Machida, Hiroki Akamatsu, Takuya Akahori, Hiroyuki Nakanishi, Viral Parekh, Ruby van Rooyen, and Tsutomu T. Takeuchi, “Jets from MRC 0600-399 bent by magnetic fields in the cluster Abell 3376”, Nature
Caption header image: The bent jet structures emitted from MRC 0600-399 as observed by the MeerKAT radio telescope (left) are well reproduced by the simulation conducted on ATERUI II (right). The nearby galaxy visible in the left part of the MeerKAT image is not affecting the jet and has been excluded in the simulation. Credit: Chibueze, Sakemi, Ohmura et al. (MeerKAT image); Takumi Ohmura, Mami Machida, Hirotaka Nakayama, 4D2U Project, NAOJ (ATERUI II image)
