Een nieuwe studie toont een diep verband aan tussen enkele van de grootste, meest energetische gebeurtenissen in het universum en veel kleinere, zwakkere die worden aangedreven door onze eigen zon.

De resultaten zijn afkomstig van een lange observatie met NASA's Chandra X-ray Observatory of Abell 2146, een paar botsende melkwegclusters op ongeveer 2,8 miljard lichtjaar van de aarde. De nieuwe studie werd geleid door Helen Russell van de School of Physics and Astronomy van de University of Nottingham.

Clusters van sterrenstelsels bevatten honderden sterrenstelsels en enorme hoeveelheden heet gas en donkere materie en behoren tot de grootste structuren in het heelal. Botsingen tussen clusters van melkwegstelsels geven enorme hoeveelheden energie vrij die we niet eerder hebben gezien sinds de oerknal en bieden wetenschappers natuurkundige laboratoria die hier op aarde niet beschikbaar zijn.

In de composietafbeelding hierboven van Abell 2146, tonen Chandra-röntgengegevens (paars) heet gas en tonen de optische gegevens van de Subaru Telescope sterrenstelsels (rood en wit). Eén cluster (gelabeld #2) beweegt naar linksonder in de aangegeven richting en ploegt door het andere cluster (#1). Het hete gas in de eerstgenoemde stuwt een schokgolf uit, zoals een sonische knal die wordt gegenereerd door een supersonische straal, terwijl het botst met het hete gas in het andere cluster.

De schokgolf is ongeveer 1,6 miljoen lichtjaar lang en is het gemakkelijkst te zien in een versie van de röntgenopname die is bewerkt om scherpe kenmerken te benadrukken. Ook gelabeld zijn de centrale kern van heet gas in cluster #2, en de staart van het gas dat het heeft achtergelaten. Achter de botsing is een tweede schokgolf van vergelijkbare grootte te zien. Dit wordt een "stroomopwaartse schok" genoemd en dit soort kenmerken komen voort uit het complexe samenspel van gestript gas uit het invallende cluster en het omringende clustergas. Het helderste en meest massieve sterrenstelsel in elke cluster is ook gelabeld.

Schokgolven zoals die worden gegenereerd door een supersonische jet zijn botsingsschokken, waarbij directe botsingen tussen deeltjes optreden. In de aardatmosfeer nabij zeeniveau reizen gasdeeltjes meestal slechts ongeveer 4 miljoenste van een inch voordat ze in botsing komen met een ander deeltje.

Omgekeerd, in clusters van sterrenstelsels en in de zonnewind - stromen van deeltjes die van de zon worden weggeblazen - komen directe botsingen tussen deeltjes te zelden voor om schokgolven te produceren, omdat het gas zo diffuus is, met een ongelooflijk lage dichtheid. Bijvoorbeeld, in clusters van sterrenstelsels moeten deeltjes meestal ongeveer 30.000 tot 50.000 lichtjaar reizen voordat ze botsen. In plaats daarvan zijn de schokken in deze kosmische omgevingen "botsingsloos", gegenereerd door interacties tussen geladen deeltjes en magnetische velden

Chandra observeerde Abell 2146 in totaal ongeveer 23 dagen, wat het diepste röntgenbeeld geeft dat tot nu toe is verkregen van schokfronten in een cluster van sterrenstelsels. De twee schokfronten in Abell 2146 behoren tot de helderste en duidelijkste schokfronten die bekend zijn onder clusters van sterrenstelsels.

Helen merkte op:"Ik ontdekte deze schokfronten voor het eerst in een eerdere, korte Chandra-observatie toen ik een doctoraatsstudent was. Het was een spannende ontdekking en een fantastische reis naar deze diepe, legacy-observatie die de gedetailleerde schokstructuur onthulde."

Met behulp van deze krachtige gegevens bestudeerden Russell en haar team de gastemperatuur achter de schokgolven in Abell 2146. Ze toonden aan dat elektronen voornamelijk zijn verwarmd door compressie van gas door de schok, een effect zoals dat wordt waargenomen in de zonnewind. De rest van de verwarming vond plaats door botsingen tussen deeltjes. Omdat het gas zo diffuus is, vond deze bijverwarming langzaam plaats, over zo'n 200 miljoen jaar.

Chandra maakt zulke scherpe beelden dat het daadwerkelijk kan meten hoeveel willekeurige gasbewegingen het schokfront vervagen dat volgens de theorie veel smaller zal zijn. Voor dit cluster meten ze willekeurige gasbewegingen van ongeveer 650.000 mijl per uur.

In verschillende andere onderzoeksgebieden zijn botsingsloze schokgolven van belang. De straling die wordt geproduceerd door schokken in de zonnewind kan bijvoorbeeld de werking van ruimtevaartuigen negatief beïnvloeden, evenals de veiligheid van mensen in de ruimte.

Een paper waarin deze resultaten worden beschreven, werd aanvaard door The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . + Verder verkennen

Gedetailleerde beelden van een schokgolf die zich uitstrekt over 6,5 miljoen lichtjaar