We hebben ingewikkelde patronen gezien die melk in koffie maakt en veel soepelere patronen die honing maakt als ze met een lepel worden geroerd. Welke van deze gevallen beschrijft het gedrag van het hete gas in clusters van sterrenstelsels het beste? Door deze vraag te beantwoorden, een nieuwe studie met behulp van NASA's Chandra X-ray Observatory heeft ons begrip van clusters van sterrenstelsels verdiept, de grootste structuren in het heelal bij elkaar gehouden door de zwaartekracht.

Melkwegclusters bestaan ​​uit drie hoofdcomponenten:individuele sterrenstelsels, miljoenen graden gas dat de ruimte tussen de sterrenstelsels vult, en donkere materie, een mysterieuze vorm van materie die door een cluster is verspreid en goed is voor ongeveer 80 procent van de massa van het cluster.

Een team van astronomen gebruikte een reeks lange Chandra-waarnemingen, in totaal ongeveer twee weken observeren, van de Coma-sterrenstelselcluster om gaseigenschappen te onderzoeken op ruimtelijke schalen die vergelijkbaar zijn met een typische afstand die deeltjes afleggen tussen botsingen met elkaar. Deze meting hielp hen meer te weten te komen over de viscositeit - de technische term voor de weerstand tegen de beweging van gasklonten ten opzichte van elkaar - van het hete gas in Coma.

"Onze bevinding suggereert dat de gasviscositeit in Coma veel lager is dan verwacht, " zei Irina Zhuravleva van de Universiteit van Chicago, die de studie leidde. "Dit betekent dat op kleine schaal turbulentie kan ontstaan ​​in het hete gas in clusters van sterrenstelsels, analoog aan wervelende bewegingen in een koffiemok."

Het hete gas in Coma gloeit in röntgenlicht waargenomen door Chandra. Het is bekend dat het gas ongeveer zes keer meer massa bevat dan alle gecombineerde sterrenstelsels in de cluster. Ondanks zijn overvloed, de dichtheid van het hete gas in Coma, waarvan radio-observaties hebben aangetoond dat het doordrongen is van een zwak magnetisch veld, is zo laag dat de deeltjes niet vaak met elkaar interageren. Zo'n lage dichtheid, heet gas kan niet worden bestudeerd in een laboratorium op aarde, en dus moeten wetenschappers vertrouwen op kosmische laboratoria zoals die van het intergalactische gas in Coma.

"We hebben Chandra gebruikt om te onderzoeken of de dichtheid van het gas soepel is op de kleinste schalen die we kunnen detecteren, " zei Eugene Churazov, een co-auteur van het Max Planck Institute for Astrophysics in Garching en het Space Research Institute in Moskou. "We ontdekten dat het niet wat suggereert dat turbulentie zelfs op deze relatief kleine schaal aanwezig is en dat de viscositeit laag is."

Om tot deze conclusies te komen, het team concentreerde zich op een gebied buiten het centrum van de Coma Cluster, waar de dichtheid van het hete gas zelfs lager is dan in het centrum. Hier, de deeltjes moeten langere afstanden afleggen - ongeveer 100, 000 lichtjaar gemiddeld - om te interageren met een ander deeltje. Deze afstand is groot genoeg om met Chandra te worden onderzocht.

"Misschien is een van de meest verrassende aspecten dat we natuurkunde konden bestuderen op schalen die relevant zijn voor interacties tussen atomaire deeltjes in een object dat zich op 320 miljoen lichtjaar afstand bevindt, "Zei co-auteur Alexander Schekochihin van de Universiteit van Oxford in het Verenigd Koninkrijk. "Dergelijke waarnemingen openen een geweldige kans om clusters van sterrenstelsels te gebruiken als laboratoria om fundamentele eigenschappen van heet gas te bestuderen."

Waarom is de viscositeit van Coma's hete gas zo laag? Een verklaring is de aanwezigheid van kleinschalige onregelmatigheden in het magnetische veld van de cluster. Deze onregelmatigheden kunnen deeltjes in het hete gas afbuigen, die is samengesteld uit elektrisch geladen deeltjes, meestal elektronen, en protonen. Deze afbuigingen verkleinen de afstand die een deeltje vrij kan bewegen en, door verlenging, de gasviscositeit.

Kennis van de viscositeit van gas in een cluster van melkwegstelsels en hoe gemakkelijk turbulentie zich ontwikkelt, helpt wetenschappers de effecten te begrijpen van belangrijke verschijnselen zoals botsingen en versmeltingen met andere clusters van melkwegstelsels, en melkweggroepen. Turbulentie die door deze krachtige gebeurtenissen wordt gegenereerd, kan fungeren als een warmtebron, voorkomen dat het hete gas in clusters afkoelt om miljarden nieuwe sterren te vormen.

De onderzoekers kozen voor het Coma-cluster voor dit onderzoek omdat het de beste combinatie van fysieke eigenschappen heeft. De gemiddelde afstand tussen deeltjesbotsingen is groter voor gas met hogere temperaturen en lagere dichtheden. Coma is heter dan andere helderste nabije clusters van sterrenstelsels en heeft een relatief lage dichtheid, in tegenstelling tot koele en dichte kernen van andere heldere melkwegclusters, waaronder Perseus en Maagd. Dit geeft astronomen de kans om het Coma-cluster te gebruiken als laboratorium voor het bestuderen van plasmafysica.

Toekomstige directe metingen van snelheden van gasbewegingen met de X-ray Imaging and Spectroscopie Mission (XRISM), een samenwerkingsmissie tussen het Japanse Exploratiebureau en NASA, zal meer details geven over clusterdynamiek, waardoor we robuuste studies kunnen maken van veel nabijgelegen clusters van sterrenstelsels. XRISM wordt naar verwachting begin 2020 gelanceerd.

Een paper waarin dit resultaat wordt beschreven, verscheen in het nummer van 17 juni van het tijdschrift Natuurastronomie .