Første observation af varm gas, der skvulper i galaksehoben

ESA's XMM-Newton røntgenobservatorium har spioneret varm gas, der skvulper rundt i en galaksehob - en aldrig før set adfærd, der kan være drevet af turbulente fusionsbegivenheder.

Galaksehobe er de største systemer i universet, der er bundet sammen af ​​tyngdekraften. De indeholder hundreder til tusindvis af galakser og store mængder varm gas kendt som plasma, som når temperaturer på omkring 50 millioner grader og skinner klart i røntgenstråler.

Meget lidt er kendt om, hvordan dette plasma bevæger sig, men at udforske dens bevægelser kan være nøglen til at forstå, hvordan galaksehobe dannes, udvikle sig og opføre sig.

"Vi udvalgte to i nærheden, massiv, lyse og godt observerede galaksehobe, Perseus og Coma, og kortlagde, hvordan deres plasma bevægede sig – om det bevægede sig mod eller væk fra os, dens hastighed, og så videre - for første gang, siger Jeremy Sanders fra Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics i Garching, Tyskland, og hovedforfatter af den nye undersøgelse.

"Vi gjorde dette over store områder af himlen:et område på størrelse med to fuldmåner for Perseus, og fire for Coma. Vi havde virkelig brug for XMM-Newton til dette, da det ville være ekstremt svært at dække så store områder med ethvert andet rumfartøj."

Jeremy og kolleger fandt direkte tegn på plasmastrømning, plasker og skvulper rundt i Perseus-galaksehoben - et af de mest massive kendte objekter i universet, og den lyseste klynge på himlen med hensyn til røntgenstråler. Mens denne form for bevægelse er blevet forudsagt teoretisk, det var aldrig set før i kosmos.

Ved at se på simuleringer af, hvordan plasmaet bevægede sig i klyngen, forskerne undersøgte derefter, hvad der forårsagede skvulpen. De fandt det sandsynligt på grund af mindre underklynger af galakser, der kolliderer og smelter sammen med selve hovedhoben. Disse begivenheder er energiske nok til at forstyrre Perseus' tyngdefelt og kickstarte en skvulpende bevægelse, der vil vare i mange millioner år, før den sætter sig.

I modsætning til Perseus, som er karakteriseret ved en hovedklynge og flere mindre understrukturer, Coma-klyngen indeholdt intet brusende plasma, og ser i stedet ud til at være en massiv klynge, der består af to store underklynger, der langsomt smelter sammen.

"Coma indeholder to massive centrale galakser i stedet for en klynges sædvanlige enkelt gigant, og forskellige områder ser ud til at indeholde materiale, der bevæger sig forskelligt, " siger Jeremy. "Dette indikerer, at der er flere strømme af materiale inden for Coma-klyngen, som endnu ikke er kommet sammen til at danne en enkelt sammenhængende 'klat', som vi ser hos Perseus."

Fundet blev muliggjort af en ny kalibreringsteknik anvendt på XMM-Newtons European Photon Imaging Camera (EPIC). Den geniale metode, som involverede udvinding af to årtier af EPIC-arkivdata, forbedret nøjagtigheden af ​​kameraets hastighedsmålinger med en faktor på over 3,5, løfter XMM-Newtons muligheder til et nyt niveau.

"EPIC-kameraet har et instrumentelt baggrundssignal - de såkaldte 'fluorescerende linjer', som altid er til stede i vores data, og kan nogle gange være irriterende, da de normalt ikke er, hvad vi leder efter, " tilføjer medforfatter Ciro Pinto, en ESA-forsker ved European Space Research and Technology Center i Noordwijk, Holland, som for nylig flyttede til Italiens Nationale Institut for Astrofysik.

"Vi besluttede at bruge disse linjer, som er et konstant træk, at sammenligne og justere EPIC-data fra de sidste 20 år for bedre at bestemme, hvordan kameraet opfører sig, og brugte derefter dette til at korrigere for enhver instrumentel variation eller effekter."

Denne teknik gjorde det muligt at kortlægge gassen i klyngerne mere præcist. Jeremy, Ciro og kolleger brugte baggrundslinjerne til at genkende og fjerne individuelle variationer mellem observationer, og eliminerede derefter alle subtile instrumentelle effekter identificeret og markeret af deres 20 års EPIC data mining.

EPIC består af tre CCD-kameraer designet til at optage både lav- og højenergi røntgenstråler, og er et af en trio af avancerede instrumenter ombord på XMM-Newton.

Udforsker den dynamiske røntgenhimmel siden den blev lanceret i 1999, XMM-Newton er den største videnskabelige satellit, der nogensinde er bygget i Europa, og bærer nogle af de mest kraftfulde teleskopspejle, der nogensinde er udviklet.

"Denne kalibreringsteknik fremhæver nyfundne muligheder i EPIC-kameraet, siger Norbert Schartel, ESA XMM-Newton Project Scientist.

"Højenergiastrofysik indebærer ofte sammenligning af røntgendata på forskellige punkter i kosmos for alt fra plasma til sorte huller, så evnen til at minimere instrumentelle effekter er nøglen. Ved at bruge tidligere XMM-Newton observationer til at forfine fremtidige, den nye teknik kan åbne op for inspirerende muligheder for ny forskning og opdagelse."

These XMM-Newton observations will also remain unparalleled until the launch of ESA's Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics (Athena) in 2031. Whereas covering such large areas of sky will largely be beyond the capabilities of telescopes such as the upcoming JAXA/NASA X-ray Imaging and Spectroscopy Mission, or XRISM, Athena will combine a large X-ray telescope with state-of-the-art scientific instruments to shed new light on the hot, energetic universe.