新研究阐明宇宙中幽灵状射电遗迹的成因

宇宙学领域近期取得一项理论进展，旨在解释困扰天文学界已久的难题：宇宙中巨大、幽灵般的射电遗迹（Radio Relics）的形成机制。这些结构呈巨大的弧形，横跨数百万光年，其形成源于星系团碰撞产生的强大激波，该激波将电子加速至接近光速，从而产生射电辐射。这项关键研究由德国莱布尼茨天体物理研究所（AIP）的研究团队完成，其成果已于2025年11月被《天文学与天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）接收发表。

该研究团队采用高分辨率、多尺度的宇宙学模拟方法，成功重构了这些射电遗迹的诞生与演化过程。研究人员关注了单个激波在星系团内部湍流区域中的传播行为，并将其与先前观测数据进行比对。早期的观测结果，例如来自美国宇航局钱德拉X射线天文台和欧洲空间局XMM-Newton望远镜的数据，曾揭示出遗迹中的磁场强度远超理论预测，且激波的测量结果在射电波段和X射线波段之间存在不一致性。

AIP团队得出的核心结论之一是，磁场异常增强的根源在于主激波与星系团外围由宇宙网冷气体落入产生的较小激波相互作用。这种多重激波的碰撞会压缩等离子体形成一个致密的薄层，随后该薄层撞击更小的气体团块，引发的宇宙级湍流会扭曲和压缩磁场线，使得磁场强度被放大至观测到的水平。莱布尼茨天体物理研究所的合作作者Christoph Pfrommer指出，正是这种机制生成了湍流，从而解决了磁场强度过高这一主要谜团。

研究的第二个关键发现解决了射电与X射线观测不一致性的问题。模拟结果表明，当激波扫过致密的、不均匀的气体团块时，激波的某些局部区域会显著增强，从而更有效地加速电子，产生主导射电信号的明亮、紧凑的斑块。然而，X射线望远镜测量的是激波的整体平均强度，包括其较弱的区域，因此得出的平均强度较低，这解释了长期以来观测到的矛盾现象。

这项工作通过将星系团尺度的演化模拟与激波前沿电子加速的微观物理过程相结合，实现了跨越数万亿倍尺度的物理学衔接。研究团队通过模拟一个星系团合并的案例，其中一个星系团的质量约为另一个的2.5倍，成功再现了跨越近700万光年的弧形激波。这种多尺度方法使研究人员能够解析当前一代宇宙学模拟难以企及的物理细节，为理解这些极端环境下的电子加速机制提供了强有力的理论基础。

射电遗迹的理论解释对于天体物理学具有重要意义，因为它调和了先前相互矛盾的观测数据，为理解宇宙中最大引力束缚结构——星系团——的碰撞动力学提供了清晰的蓝图。