¿El gas en los cúmulos de galaxia fluye como la miel?

Crédito: Rayos X: NASA / CXC / Univ. de Chicago, I. Zhuravleva et al, Optical: SDSS.

Hemos visto patrones intrincados que la leche hace en el café y mucho más suaves que la miel cuando se agita con una cuchara. ¿Cuál de estos casos describe mejor el comportamiento del gas caliente en los cúmulos de galaxias? Al responder a esta pregunta, un nuevo estudio que utiliza el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA ha profundizado nuestra comprensión de los cúmulos de galaxias, las estructuras más grandes del Universo unidas por la gravedad.

Los cúmulos de galaxias se componen de tres componentes principales: galaxias individuales, gas multimillonario que llena el espacio entre las galaxias, y materia oscura, una misteriosa forma de materia que se propaga a través de un cúmulo y representa aproximadamente el 80 por ciento de la masa del planeta. racimo.

Un equipo de astrónomos usó un conjunto de observaciones largas de Chandra, con un total de aproximadamente dos semanas de observación, del cúmulo de galaxias Coma para sondear las propiedades del gas en escalas espaciales comparables con una distancia típica en que las partículas viajan entre colisiones entre sí. Esta medida les ayudó a aprender sobre la viscosidad, el término técnico para la resistencia al movimiento de los grumos de gas entre sí, del gas caliente en Coma.

"Nuestro descubrimiento sugiere que la viscosidad del gas en Coma es mucho menor de lo esperado", dijo Irina Zhuravleva, de la Universidad de Chicago, quien dirigió el estudio. "Esto significa que la turbulencia puede desarrollarse fácilmente en el gas caliente en cúmulos de galaxias en escalas pequeñas, de forma análoga a los movimientos de remolino en una taza de café".

El gas caliente en Coma brilla en la luz de rayos X observada por Chandra. Se sabe que el gas contiene aproximadamente seis veces más masa que todas las galaxias combinadas en el cúmulo. A pesar de su abundancia, la densidad del gas caliente en Coma, que las observaciones de radio han demostrado está permeada por un campo magnético débil, es tan baja que las partículas no interactúan entre sí muy a menudo. Un gas caliente de baja densidad no se puede estudiar en un laboratorio en la Tierra, por lo que los científicos deben confiar en laboratorios cósmicos como el que proporciona el gas intergaláctico en Coma.

"Usamos a Chandra para comprobar si la densidad del gas es uniforme en las escalas más pequeñas que podemos detectar", dijo Eugene Churazov, coautor del Instituto Max Planck de Astrofísica en Garching y el Instituto de Investigación Espacial en Moscú. "Encontramos que no lo es, lo que sugiere que la turbulencia está presente incluso en estas escalas relativamente pequeñas y la viscosidad es baja".

Para llegar a estas conclusiones, el equipo se concentró en una región alejada del centro del Cúmulo de Coma, donde la densidad del gas caliente es incluso más baja que en el centro. Aquí, las partículas tienen que viajar distancias más largas (unos 100.000 años luz en promedio) para interactuar con otra partícula. Esta distancia es lo suficientemente grande como para ser investigado con Chandra.

"Quizás uno de los aspectos más sorprendentes es que pudimos estudiar física en escalas relevantes para las interacciones entre partículas atómicas en un objeto que está a 320 millones de años luz de distancia", dijo el coautor Alexander Schekochihin de la Universidad de Oxford en el Reino Unido. . "Tales observaciones abren una gran oportunidad para usar cúmulos de galaxias como laboratorios para estudiar las propiedades fundamentales del gas caliente".

¿Por qué es tan baja la viscosidad del gas caliente de Coma? Una explicación es la presencia de irregularidades a pequeña escala en el campo magnético del grupo. Estas irregularidades pueden desviar las partículas en el gas caliente, que está compuesto de partículas cargadas eléctricamente, principalmente electrones y protones. Estas desviaciones reducen la distancia que una partícula puede moverse libremente y, por extensión, la viscosidad del gas.

Imagen de autor del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA. Crédito: NASA.

El conocimiento de la viscosidad del gas en un cúmulo de galaxias y la facilidad con que se desarrolla la turbulencia ayuda a los científicos a comprender los efectos de fenómenos importantes, como colisiones y fusiones con otros cúmulos de galaxias y grupos de galaxias. La turbulencia generada por estos eventos poderosos puede actuar como una fuente de calor, evitando que el gas caliente en los grupos se enfríe para formar miles de millones de nuevas estrellas.

Los investigadores eligieron el grupo Coma para este estudio porque tiene la mejor combinación de propiedades físicas requeridas. La distancia promedio entre colisiones de partículas es mayor para el gas con temperaturas más altas y densidades más bajas. Coma es más caliente que otros cúmulos de galaxias cercanos más brillantes y tiene una densidad relativamente baja, a diferencia de los núcleos fríos y densos de otros cúmulos de galaxias brillantes, incluidos Perseo y Virgo. Esto les da a los astrónomos la oportunidad de usar el Cúmulo de Coma como un laboratorio para estudiar la física del plasma.

Las futuras mediciones directas de las velocidades de los movimientos de gas con la Misión de espectroscopía y imágenes de rayos X (XRISM), una misión de colaboración entre la Agencia de Exploración de Japón y la NASA, brindarán más detalles sobre la dinámica de los grupos, lo que nos permitirá realizar estudios sólidos de muchas galaxias cercanas agrupaciones Se espera que XRISM se lance a principios de 2020.

Un documento que describe este resultado apareció en la edición del 17 de junio de la revista Nature Astronomy y está disponible en línea. El Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama, administra el programa Chandra para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington. El Observatorio Astrofísico Smithsoniano en Cambridge, Massachusetts, controla la ciencia y las operaciones de vuelo de Chandra.

Otros materiales sobre los hallazgos están disponibles en:

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Contactos de medios:

Megan Watzke

Centro de rayos X Chandra, Cambridge, Massachusetts.
617-496-7998

• Publicado en Chandra el 19 de junio del 2.019, enlace publicación.

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