Flyder gassen i galaksehobe som honning?

Vi har set indviklede mønstre, som mælk laver i kaffe og meget glattere, som honning laver, når den røres med en ske. Hvilket af disse tilfælde beskriver bedst opførselen af ​​den varme gas i galaksehobe? Ved at besvare dette spørgsmål, en ny undersøgelse ved hjælp af NASAs Chandra X-ray Observatory har uddybet vores forståelse af galaksehobe, de største strukturer i universet holdt sammen af ​​tyngdekraften.

Galaksehobe består af tre hovedkomponenter:individuelle galakser, multimillion graders gas, der fylder rummet mellem galakserne, og mørkt stof, en mystisk form for stof, der er spredt ud over en klynge og tegner sig for omkring 80 procent af klyngens masse.

Et hold af astronomer brugte et sæt lange Chandra-observationer, i alt omkring to ugers observation, af Coma-galaksehoben for at undersøge gasegenskaber på rumlige skalaer, der kan sammenlignes med en typisk afstand, som partikler rejser mellem kollisioner med hinanden. Denne måling hjalp dem med at lære om viskositeten - det tekniske udtryk for modstanden mod bevægelse af gasklumper i forhold til hinanden - af den varme gas i Coma.

"Vores fund tyder på, at gasviskositeten i Coma er meget lavere end forventet, " sagde Irina Zhuravleva fra University of Chicago, der ledede undersøgelsen. "Det betyder, at turbulens let kan udvikle sig i den varme gas i galaksehobe i små skalaer, analogt med hvirvlende bevægelser i et kaffekrus."

Den varme gas i Coma lyser i røntgenlys observeret af Chandra. Gassen vides at indeholde omkring seks gange mere masse end alle de kombinerede galakser i hoben. På trods af sin overflod, tætheden af ​​den varme gas i Coma, som radioobservationer har vist er gennemsyret af et svagt magnetfelt, er så lav, at partiklerne ikke interagerer med hinanden særlig ofte. Sådan en lav tæthed, varm gas kan ikke studeres i et laboratorium på jorden, og derfor må videnskabsmænd stole på kosmiske laboratorier som det, der leveres af den intergalaktiske gas i Coma.

"Vi brugte Chandra til at undersøge, om gassens tæthed er jævn på de mindste skalaer, vi kan opdage, " sagde Eugene Churazov, en medforfatter fra Max Planck Institute for Astrophysics i Garching og Space Research Institute i Moskva. "Vi fandt ud af, at det ikke er tyder på, at turbulens er til stede selv på disse relativt små skalaer, og at viskositeten er lav."

For at nå disse konklusioner, holdet koncentrerede sig om et område væk fra centrum af Coma Cluster, hvor tætheden af ​​den varme gas er endnu lavere end den er i midten. Her, partiklerne skal rejse længere afstande - omkring 100, 000 lysår i gennemsnit - for at interagere med en anden partikel. Denne afstand er stor nok til at blive sonderet med Chandra.

"Måske et af de mest overraskende aspekter er, at vi var i stand til at studere fysik på skalaer, der er relevante for interaktioner mellem atomare partikler i et objekt, der er 320 millioner lysår væk, " sagde medforfatter Alexander Schekochihin fra University of Oxford i Det Forenede Kongerige. "Sådanne observationer åbner en fantastisk mulighed for at bruge galaksehobe som laboratorier til at studere grundlæggende egenskaber ved varm gas."

Hvorfor er viskositeten af ​​Comas varme gas så lav? En forklaring er tilstedeværelsen af ​​små uregelmæssigheder i klyngens magnetfelt. Disse uregelmæssigheder kan afbøje partikler i den varme gas, som er sammensat af elektrisk ladede partikler, mest elektroner, og protoner. Disse afbøjninger reducerer afstanden en partikel kan bevæge sig frit og, i forlængelse heraf, gassens viskositet.

Viden om viskositeten af ​​gas i en galaksehob, og hvor let turbulens udvikler sig, hjælper videnskabsmænd med at forstå virkningerne af vigtige fænomener såsom kollisioner og fusioner med andre galaksehobe, og galaksegrupper. Turbulens genereret af disse kraftige begivenheder kan fungere som en varmekilde, forhindrer den varme gas i klynger i at afkøle og danne milliarder af nye stjerner.

Forskerne valgte Coma-klyngen til denne undersøgelse, fordi den har den bedste kombination af fysiske egenskaber, der kræves. Den gennemsnitlige afstand mellem partikelkollisioner er højere for gas med varmere temperaturer og lavere tætheder. Coma er varmere end andre lyseste nærliggende galaksehobe og har relativt lav tæthed, i modsætning til kølige og tætte kerner af andre lyse galaksehobe inklusive Perseus og Jomfruen. Dette giver astronomer en chance for at bruge Coma-klyngen som et laboratorium til at studere plasmafysik.

Fremtidige direkte målinger af gasbevægelsers hastigheder med X-ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM), en samarbejdsmission mellem det japanske efterforskningsagentur og NASA, vil give flere detaljer om klyngens dynamik, giver os mulighed for at lave robuste undersøgelser af mange nærliggende galaksehobe. XRISM forventes at blive lanceret i begyndelsen af ​​2020'erne.

Et papir, der beskriver dette resultat, udkom i tidsskriftets 17. juni-udgave Natur astronomi .