ESA's XMM-Newton röntgenobservatorium heeft heet gas bespioneerd dat rondslingert in een cluster van sterrenstelsels - een nooit eerder vertoond gedrag dat mogelijk wordt veroorzaakt door turbulente fusiegebeurtenissen.

Clusters van sterrenstelsels zijn de grootste systemen in het heelal die door de zwaartekracht met elkaar zijn verbonden. Ze bevatten honderden tot duizenden sterrenstelsels en grote hoeveelheden heet gas dat bekend staat als plasma, die temperaturen van ongeveer 50 miljoen graden bereikt en helder schijnt in röntgenstralen.

Er is heel weinig bekend over hoe dit plasma beweegt, maar het onderzoeken van zijn bewegingen kan de sleutel zijn om te begrijpen hoe clusters van sterrenstelsels worden gevormd, evolueren en gedragen.

"We hebben er twee in de buurt uitgekozen, enorm, heldere en goed waargenomen clusters van sterrenstelsels, Perseus en Coma, en in kaart gebracht hoe hun plasma bewoog - of het nu naar ons toe of van ons af bewoog, zijn snelheid, enzovoort - voor de eerste keer, " zegt Jeremy Sanders van het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Garching, Duitsland, en hoofdauteur van de nieuwe studie.

"We deden dit over grote delen van de hemel:een gebied ongeveer zo groot als twee volle manen voor Perseus, en vier voor Coma. Hiervoor hadden we XMM-Newton echt nodig, omdat het buitengewoon moeilijk zou zijn om zulke grote gebieden met een ander ruimtevaartuig te bestrijken."

Jeremy en collega's vonden directe tekenen van plasmastromen, spetterend en klotsend in het Perseus-sterrenstelsel - een van de meest massieve bekende objecten in het universum, en de helderste cluster aan de hemel in termen van röntgenstralen. Hoewel dit soort beweging theoretisch is voorspeld, het was nog nooit eerder in de kosmos gezien.

Door te kijken naar simulaties van hoe het plasma binnen het cluster bewoog, de onderzoekers onderzochten vervolgens wat het klotsen veroorzaakte. Ze vonden dat dit waarschijnlijk te wijten was aan kleinere subclusters van sterrenstelsels die botsten en samensmolten met het hoofdcluster zelf. Deze gebeurtenissen zijn energiek genoeg om het zwaartekrachtsveld van Perseus te verstoren en een klotsende beweging op gang te brengen die vele miljoenen jaren zal duren voordat hij tot rust komt.

In tegenstelling tot Perseus, die wordt gekenmerkt door een hoofdcluster en een aantal kleinere substructuren, het Coma-cluster bevatte geen klotsend plasma, en lijkt in plaats daarvan een enorm cluster te zijn dat bestaat uit twee grote subclusters die langzaam samensmelten.

"Coma bevat twee massieve centrale sterrenstelsels in plaats van de gebruikelijke enkele kolos van een cluster, en verschillende regio's lijken materiaal te bevatten dat anders beweegt, ", zegt Jeremy. "Dit geeft aan dat er meerdere materiaalstromen zijn binnen de Coma-cluster die nog niet zijn samengekomen om een ​​enkele coherente 'blob' te vormen, zoals we zien bij Perseus."

De bevinding werd mogelijk gemaakt door een nieuwe kalibratietechniek die werd toegepast op XMM-Newton's European Photon Imaging Camera (EPIC). De ingenieuze methode, waarbij twee decennia aan archiefgegevens van EPIC werden gedolven, verbeterde de nauwkeurigheid van de snelheidsmetingen van de camera met een factor meer dan 3,5, de mogelijkheden van XMM-Newton naar een nieuw niveau tillen.

"De EPIC-camera heeft een instrumentaal achtergrondsignaal - de zogenaamde 'fluorescerende lijnen' die altijd aanwezig zijn in onze gegevens, en kan soms vervelend zijn omdat ze meestal niet zijn wat we zoeken, " voegt co-auteur Ciro Pinto toe, een ESA research fellow bij het European Space Research and Technology Centre in Noordwijk, Nederland, die onlangs naar het Italiaanse Nationale Instituut voor Astrofysica verhuisde.

"We hebben besloten om deze lijnen te gebruiken, die een constant kenmerk zijn, om EPIC-gegevens van de afgelopen 20 jaar te vergelijken en op elkaar af te stemmen om beter te bepalen hoe de camera zich gedraagt, en vervolgens dit gebruikt om te corrigeren voor instrumentale variaties of effecten."

Deze techniek maakte het mogelijk om het gas in de clusters nauwkeuriger in kaart te brengen. Jeremy, Ciro en collega's gebruikten de achtergrondlijnen om individuele variaties tussen waarnemingen te herkennen en te verwijderen, en elimineerde vervolgens alle subtielere instrumentale effecten die werden geïdentificeerd en gemarkeerd door hun 20 jaar EPIC-datamining.

EPIC omvat drie CCD-camera's die zijn ontworpen om zowel lage als hoge energie röntgenstralen vast te leggen, en is een van een drietal geavanceerde instrumenten aan boord van de XMM-Newton.

Exploring the dynamic X-ray sky since its launch in 1999, XMM-Newton is the biggest scientific satellite ever built in Europe, and carries some of the most powerful telescope mirrors ever developed.

"This calibration technique highlights newfound capabilities of the EPIC camera, " says Norbert Schartel, ESA XMM-Newton Project Scientist.

"High-energy astrophysics often entails comparing X-ray data at different points in the cosmos for everything from plasma to black holes, so the ability to minimise instrumental effects is key. By using past XMM-Newton observations to refine future ones, the new technique may open up inspiring opportunities for new research and discovery."

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.