Door gegevens van NASA's Chandra X-ray Observatory te combineren met radiowaarnemingen en computersimulaties, een internationaal team van wetenschappers heeft een enorme golf van heet gas ontdekt in het nabijgelegen Perseus-sterrenstelsel. Ongeveer 200, 000 lichtjaar, de golf is ongeveer twee keer zo groot als ons eigen Melkwegstelsel.

De onderzoekers zeggen dat de golf miljarden jaren geleden gevormd is, nadat een kleine cluster van sterrenstelsels Perseus graasde en zijn enorme gasvoorraad rond een enorm volume van de ruimte liet klotsen.

"Perseus is een van de meest massieve nabije clusters en de helderste in röntgenstralen, dus Chandra-gegevens bieden ons ongeëvenaarde details, " zei hoofdwetenschapper Stephen Walker van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "De golf die we hebben geïdentificeerd, wordt geassocieerd met het voorbijvliegen van een kleinere cluster, waaruit blijkt dat de fusieactiviteit die deze gigantische structuren heeft voortgebracht nog steeds aan de gang is."

Een paper waarin de bevindingen worden beschreven, verschijnt in het juni 2017-nummer van het tijdschrift Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society .

Clusters van sterrenstelsels zijn de grootste structuren die tegenwoordig door de zwaartekracht in het universum worden gebonden. Ongeveer 11 miljoen lichtjaar in doorsnede en op ongeveer 240 miljoen lichtjaar afstand, het Perseus-sterrenstelsel is genoemd naar zijn sterrenbeeld. Zoals alle clusters van sterrenstelsels, het grootste deel van zijn waarneembare materie neemt de vorm aan van een doordringend gas van gemiddeld tientallen miljoenen graden, zo heet dat het alleen gloeit in röntgenstralen.

Chandra-waarnemingen hebben een verscheidenheid aan structuren in dit gas onthuld, van enorme bellen geblazen door het superzware zwarte gat in de centrale melkweg van de cluster, NGC 1275, tot een raadselachtige concave functie die bekend staat als de 'baai'.

De concave vorm van de baai kan niet gevormd zijn door bellen die door het zwarte gat zijn gelanceerd. Radio-observaties met de Karl G. Jansky Very Large Array in centraal New Mexico laten zien dat de baaistructuur geen emissie produceert, het tegenovergestelde van wat wetenschappers zouden verwachten voor kenmerken die verband houden met de activiteit van een zwart gat. In aanvulling, standaardmodellen van klotsend gas produceerden typisch structuren die in de verkeerde richting buigen.

Walker en zijn collega's wendden zich tot bestaande Chandra-waarnemingen van het Perseus-cluster om de baai verder te onderzoeken. Ze combineerden in totaal 10,4 dagen aan gegevens met hoge resolutie met 5,8 dagen breedveldwaarnemingen bij energieën tussen 700 en 7, 000 elektronvolt. Ter vergelijking, zichtbaar licht heeft energieën tussen ongeveer twee en drie elektronvolt. De wetenschappers filterden vervolgens de Chandra-gegevens om de randen van structuren te markeren en subtiele details te onthullen.

Volgende, ze vergeleken het edge-enhanced Perseus-beeld met computersimulaties van samensmeltende clusters van sterrenstelsels ontwikkeld door John ZuHone, een astrofysicus aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts. De simulaties werden uitgevoerd op de Pleiades-supercomputer die wordt beheerd door de NASA Advanced Supercomputing Division in het Ames Research Center in Silicon Valley, Californië. Hoewel hij niet betrokken was bij dit onderzoek, ZuHone verzamelde zijn simulaties in een online catalogus om astronomen te helpen bij het bestuderen van clusters van sterrenstelsels.

"Versmeltingen van melkwegclusters vertegenwoordigen de laatste fase van structuurvorming in de kosmos, ZuHone zei. "Hydrodynamische simulaties van samenvoegende clusters stellen ons in staat om functies in het hete gas te produceren en fysieke parameters af te stemmen, zoals het magnetische veld. Dan kunnen we proberen de gedetailleerde kenmerken van de structuren die we in röntgenstralen waarnemen, te evenaren."

Eén simulatie leek de vorming van de baai te verklaren. In het, gas in een grote cluster vergelijkbaar met Perseus is neergeslagen in twee componenten, een "koude" centrale regio met temperaturen rond de 54 miljoen graden Fahrenheit (30 miljoen Celsius) en een omringende zone waar het gas drie keer heter is. Dan omcirkelt een kleine cluster van sterrenstelsels met ongeveer duizend keer de massa van de Melkweg de grotere cluster, het centrum mist met ongeveer 650, 000 lichtjaar.

De flyby veroorzaakt een zwaartekrachtverstoring die het gas opstookt als room die in koffie wordt geroerd, waardoor een uitdijende spiraal van koud gas ontstaat. Na ongeveer 2,5 miljard jaar, als het gas bijna 500 is gestegen, 000 lichtjaar van het centrum, enorme golven vormen en rollen honderden miljoenen jaren aan de rand voordat ze verdwijnen.

Deze golven zijn gigantische versies van Kelvin-Helmholtz-golven, die verschijnen overal waar er een snelheidsverschil is over het grensvlak van twee vloeistoffen, zoals wind die over water waait. Ze zijn te vinden in de oceaan, in wolkenformaties op aarde en andere planeten, in plasma nabij de aarde, en zelfs op de zon.

"We denken dat de baai die we in Perseus zien deel uitmaakt van een Kelvin-Helmholtz-golf, misschien wel de grootste die tot nu toe is geïdentificeerd, die zich op vrijwel dezelfde manier vormde als de simulatie laat zien, Walker zei. "We hebben ook soortgelijke kenmerken geïdentificeerd in twee andere clusters van sterrenstelsels, Centaurus en Abell 1795."

De onderzoekers ontdekten ook dat de grootte van de golven overeenkomt met de sterkte van het magnetische veld van de cluster. Als het te zwak is, de golven bereiken veel grotere afmetingen dan de waargenomen. Als het te sterk is, ze vormen zich helemaal niet. Dankzij deze studie konden astronomen het gemiddelde magnetische veld door het hele volume van deze clusters onderzoeken, een meting die op geen enkele andere manier kan worden uitgevoerd.