Los rayos X revelan cómo se reúnen los gigantes cósmicos.
Fusiones de cúmulos de galaxias al primer contacto.
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| Copyright: NASA / CXC (rayos X); SDSS (óptico); GMRT (radio); Liyi Gu et al. 2019. |
Vista de longitud de onda múltiple de los grupos de galaxias 1E2216 y 1E2215, que parecen entrar en primer contacto antes de la fusión.
Los dos halos de gas caliente emitidos por rayos X asociados con cada grupo, con temperaturas que superan los 50 millones de grados centígrados, parecen estar conectados por un puente de gas aún más caliente, que alcanza los 100 millones de grados centígrados.
Observaciones adicionales revelaron que este puente de gas se calienta por choque, con frentes de choque que se propagan a ambos lados de adentro hacia afuera, a lo largo del plano ecuatorial de la fusión. La presencia de tal choque indica que los dos grupos se encuentran en la fase previa a la fusión y entran en contacto por primera vez, algo que nunca antes se había observado.
Los dos grupos de galaxias se encuentran a más de mil millones de años luz de distancia de la Tierra y han sido atraídos entre sí por la gravedad durante miles de millones de años. Mientras que la fase previa a la fusión dura un período de tiempo relativamente corto (alrededor de 100 millones de años), todo el proceso de fusión lleva miles de millones de años en completarse.
La imagen combina las observaciones ópticas de Sloan Digital Sky Survey (en los filtros g, r, i) con datos de rayos X recopilados entre 0,5 y 8,0 keV por el observatorio espacial Chandra de la NASA (azul) y datos de radio a 325 MHz del Giant Metrewave Radio telescopio, ubicado en la India (rojo).
La imagen abarca unos 10 minutos de arco.
Copyright: NASA / CXC (rayos X); SDSS (óptico); GMRT (radio); Liyi Gu et al. 2019
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Los científicos han descubierto una onda de choque extremadamente poderosa en una parte distante del Universo, donde dos cúmulos de galaxias masivas parecen entrar en primer contacto antes de la fusión. El estudio se basa en datos de varias instalaciones astronómicas, incluido el observatorio espacial de rayos X XMM-Newton de la ESA.
Según Liyi Gu, un astrónomo del Laboratorio de Astrofísica de Alta Energía de RIKEN en Japón y del Instituto de Investigación Espacial de los Países Bajos, quién es el autor principal de un artículo publicado hoy en Nature Astronomy, las observaciones capturan el momento único en que los dos grupos se tocan. por primera vez - algo que nunca se ha observado antes.
Los grupos, llamados 1E2216 y 1E2215, están ubicados a más de mil millones de años luz de distancia de la Tierra y han sido atraídos entre sí por la gravedad durante miles de millones de años. Su primer contacto, indicado por los nuevos datos, marca el comienzo de un proceso largo y dramático que mezclará completamente los grupos y los combinará en uno solo.
"Las colisiones entre grupos de galaxias son los eventos más energéticos en el Universo desde el Big Bang", dijo Liyi. "Los choques que surgen durante la fusión son probablemente el acelerador de partículas más importante del Universo, liberando una enorme cantidad de calor, radiación y rayos cósmicos de alta energía".
SECUENCIA DE FUSIONES DE CÚMULOS DE GALAXIAS.
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| Copyright: Abell 399/401: ROSAT (rayos X); GMRT / TGSS (radio); Abell 1758: ESA / XMM-Newton (rayos X); GMRT / TGSS (radio); 1E2215: NASA / Chandra (rayos X), GMRT (radio); CIZA J2242: ESA / XMM-Newton (rayos X); ASTRON / WSRT (radio). |
Una secuencia de pares de cúmulos de galaxias en diferentes fases de fusión, tal como se observa en los rayos X (azul) y las ondas de radio (rojo) que utilizan una variedad de diferentes instalaciones astronómicas.
Primera fila: los grupos agrupan a Abell 399 y Abell 401, que se observan varios miles de millones de años antes de la fusión; segunda fila: el cúmulo Abell 1758, que comprende dos cúmulos de galaxias más pequeños y en colisión, vistos un par de miles de millones de años antes de fusionarse; tercera fila: el par de cúmulos de galaxias 1E2216 y 1E2215, que se observan en su primer contacto, unos cientos de millones de años antes de la fusión; Cuarta fila: el cúmulo de galaxias CIZA J2242, visto en la fase posterior a la fusión.
Los cúmulos de galaxias son los objetos más grandes conocidos en el cosmos unidos por la gravedad, y pueden constar de cientos de galaxias, cada una con miles de millones de estrellas o más. Intercaladas entre las galaxias de un cúmulo hay enormes cantidades de gas caliente que emite rayos X e incluso cantidades mayores de la materia oscura invisible.
Se cree que se forman gradualmente, con objetos más pequeños que se fusionan en grupos cada vez más grandes. Si bien el primer contacto, la llamada fase previa a la fusión, dura un período de tiempo relativamente corto, alrededor de 100 millones de años, todo el proceso de fusión lleva miles de millones de años en completarse.
La observación de ondas de choque que se propagan a lo largo del plano ecuatorial en el gas caliente dentro del par que se fusiona de los grupos de galaxias 1E2216 y 1E2215 indica que los dos grupos se ven cuando entran en contacto por primera vez, algo que nunca antes se había observado.
Copyright: Abell 399/401: ROSAT (rayos X); GMRT / TGSS (radio); Abell 1758: ESA / XMM-Newton (rayos X); GMRT / TGSS (radio); 1E2215: NASA / Chandra (rayos X), GMRT (radio); CIZA J2242: ESA / XMM-Newton (rayos X); ASTRON / WSRT (radio).
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Los cúmulos de galaxias son los objetos más grandes conocidos en el cosmos unidos por la gravedad, y pueden constar de cientos de galaxias, cada una con miles de millones de estrellas o más. Intercaladas entre las galaxias de un cúmulo hay enormes cantidades de gas caliente que emite rayos X e incluso cantidades mayores de la materia oscura invisible.
Se piensa que estos enormes objetos cósmicos se forman gradualmente, comenzando primero con galaxias individuales que se encuentran entre sí debido a los efectos de la gravedad. El proceso continúa con la formación de grupos más pequeños, que luego se fusionan en grupos cada vez más grandes. Si bien el primer contacto, la llamada fase previa a la fusión, dura un período de tiempo relativamente corto, alrededor de 100 millones de años, todo el proceso de fusión lleva miles de millones de años en completarse.
Liyi y colaboradores de todo el mundo reunieron aproximadamente 40 horas de observaciones con el XMM-Newton de la ESA en 2017 y otras 40 horas con el telescopio de rayos X Chandra de la NASA en 2018. Estas observaciones se combinaron con los datos de 2012 del satélite Suzaku ahora retirado de JAXA y con datos de radio de dos telescopios terrestres ubicados en Europa e India.
Los científicos creen que los datos revelan un choque previo a la fusión causado por el primer contacto entre los dos grupos.
Colisiones durante la fusión de galaxias.
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| Derechos de autor: Cortesía de H. Akamatsu (SRON). |
Cuando dos grupos de galaxias se fusionan, los modelos teóricos y las simulaciones numéricas predicen que el primer contacto entre los halos de gas caliente asociados con cada grupo (que se muestra aquí en rosa y violeta) crea ondas de choque que se propagan hacia afuera a lo largo del plano ecuatorial de la fusión (que se muestra en rojo ). Luego, a medida que avanza la fusión, se forman choques adicionales que se propagan a lo largo del eje de la fusión (se muestra en azul). El último tipo de choques se ha observado en muchos grupos que se fusionan, mientras que los choques ecuatoriales se detectaron por primera vez en el par de grupos de galaxias 1E2216 y 1E2215 que se fusionaron.
Mientras que la fase previa a la fusión dura un período de tiempo relativamente corto (alrededor de 100 millones de años), todo el proceso de fusión lleva miles de millones de años en completarse.
La observación de ondas de choque que se propagan a lo largo del plano ecuatorial en el gas caliente dentro de 1E2216 y 1E2215 indica que los dos grupos se ven cuando entran en contacto por primera vez, algo que nunca antes se había observado.
Derechos de autor: Cortesía de H. Akamatsu (SRON)
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En las observaciones, pudieron distinguir dos halos de gas muy caliente con temperaturas de más de 50 millones de grados centígrados, cada uno asociado a cada grupo, y conectado por un puente de gas aún más caliente.
"Este puente de gas se calienta por choque: en los dos lados se puede ver un frente de choque que se propaga de adentro hacia afuera a lo largo del plano ecuatorial de la fusión", explicó Liyi. "El puente fue creado por la fusión en sí. A medida que los dos grupos se están acercando, en algún momento comienzan a conectarse".
Liyi agregó que era algo sorprendente ver la onda de choque propagándose hacia el exterior a lo largo del plano ecuatorial, ya que la mayoría de los choques encontrados en la fusión de cúmulos de galaxias generalmente se propagan a lo largo del eje vertical de la fusión. Sin embargo, los modelos teóricos y las simulaciones numéricas sí predicen que un fenómeno similar podría ocurrir durante la fase previa a la fusión.
"El choque ecuatorial se puede explicar simplemente por una compresión muy fuerte a lo largo del eje de la fusión", dijo Liyi.
En particular, XMM-Newton permitió a los científicos calcular la distribución de la temperatura del gas caliente dentro de los dos grupos, así como la temperatura extremadamente alta en la región de choque, alcanzando hasta 100 millones de grados centígrados.
"A partir de los datos de XMM-Newton, pudimos estimar la velocidad de choque y la energía dinámica total del sistema, incluida su presión", dijo Liyi.
El equipo planea seguir monitoreando este encuentro cósmico con XMM-Newton y Chandra.
Distribución de la temperatura de los cúmulos de galaxias en fusión.
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| Derechos de autor: ESA / XMM-Newton; GMRT; Liyi Gu et al. 2019. |
La distribución de la temperatura del gas caliente emitido por rayos X en la región alrededor de los dos grupos de galaxias que se fusionan 1E2216 y 1E2215, según los datos del observatorio de rayos X XMM-Newton de la ESA. La escala de colores varía de 14 millones de ° C (negro) a 70 millones de ° C (azul) a 80 millones de ° C (rojo) a más de 90 millones de ° C (amarillo).
Los contornos verdes indican el brillo de rayos X medido con los observatorios espaciales XMM-Newton de la ESA y el Chandra de la NASA; los contornos blancos indican el brillo de las ondas de radio medido con el telescopio de radio de metrewave gigante.
Los dos halos de gas caliente emitidos por rayos X asociados con cada grupo, con temperaturas que superan los 50 millones de grados centígrados, parecen estar conectados por un puente de gas aún más caliente, que alcanza los 100 millones de grados centígrados.
El recuadro en la parte superior derecha, justo encima del puente que conecta los dos grupos, muestra los contornos de emisión de rayos X (azul claro) superpuestos en un mapa del índice espectral de radio, una indicación de las propiedades de emisión del gas en las ondas de radio ( Se muestra en un degradado de colores). El hecho de que las ondas de radio de alta energía se observan en el mismo lugar que el gas de rayos X muy caliente indica la presencia de un choque.
La línea negra en forma de cuña en la esquina inferior izquierda y la inserción en la esquina superior derecha indican ondas de choque que se propagan a lo largo del plano ecuatorial en el gas caliente dentro del par que se fusiona. Según lo predicho por los modelos teóricos y las simulaciones numéricas, esto indica que los dos grupos se ven cuando entran en contacto por primera vez, algo que nunca antes se había observado.
Derechos de autor: ESA / XMM-Newton; GMRT; Liyi Gu et al. 2019
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En los próximos años, XMM-Newton se puede usar para identificar más fusiones de grupos como ésta a través de observaciones dedicadas de partes del cielo cuidadosamente seleccionadas. Los observatorios de rayos X de próxima generación, como el XRISM liderado por los japoneses y las misiones Athena de la ESA, permitirán a los astrónomos aprender con mayor detalle lo que está sucediendo durante estas colisiones gigantescas.
"Hemos tenido mucha suerte de haber visto este primer encuentro entre los dos grupos", dijo la coautora Jelle Kaastra, del Instituto de Investigación Espacial de los Países Bajos.
"Por lo general, podemos ver grupos de galaxias acercándose entre sí o ya en proceso de fusión. Con la próxima generación de telescopios de rayos X, como XRISM y Athena, no solo podremos ver más detalles de este particular fusión, pero también encontrar muchos más sistemas que están en diferentes fases de fusión ".
XRISM, una colaboración entre JAXA y NASA que incluye la participación de la ESA, se lanzará en 2021. Se espera que Athena, parte del programa Cosmic Vision de la ESA, se lance en 2031, y llevará instrumentos cien veces más sensibles que los que están a bordo de Chandra y XMM-Newton.
Las fusiones de cúmulos de galaxias se encuentran entre los procesos más importantes que dan forma a la estructura del Universo en escalas muy grandes. Sin embargo, estas colisiones gigantes son mal entendidas. Con las instalaciones de las próximas décadas, los científicos podrán observar más eventos de este tipo en varias etapas y, finalmente, reconstruir una "película" completa de la fusión de los grupos de galaxias.
"Las fusiones de cúmulos de galaxias son difíciles de observar porque las escalas de tiempo involucradas son muy largas", dijo Norbert Schartel, científico del proyecto XMM-Newton en la ESA.
"Tomará mucho tiempo entender completamente estos procesos. Estamos recién comenzando con la recopilación de datos sobre fusiones en diferentes etapas, y es emocionante que XMM-Newton pueda ayudar a capturar el comienzo de tal conflicto".
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| Imagen de autor del XMM-Newton de la ESA. |
NOTAS PARA LOS EDITORES.
Los resultados descritos aquí se informan en "Observations of a Pre-Merger Shock in Colliding Clusters of Galaxies" por Liyi Gu et al., Publicado en Nature Astronomy.
El estudio se basa en los datos de rayos X de XMM-Newton de la ESA, el telescopio de rayos X Chandra de la NASA y el satélite Suzaku de JAXA, junto con las observaciones de ondas de radio de la matriz de baja frecuencia (LOFAR), ubicadas en los Países Bajos y otros países europeos. , y del telescopio de radio Giant Metrewave, ubicado en India.
El equipo está compuesto por científicos con sede en Japón, los Países Bajos, Australia, Alemania, Hungría, el Reino Unido, la India y Sudáfrica.
PARA OBTENER MÁS INFORMACIÓN, PÓNGASE EN CONTACTO:
Liyi Gu
Laboratorio de astrofísica de alta energía RIKEN, Japón
SRON - Instituto Holandés de Investigación Espacial
Utrecht, Países Bajos
Correo electrónico: L.Gu@sron.nl
Jelle S. Kaastra
SRON - Instituto Holandés de Investigación Espacial
Utrecht, Países Bajos
Correo electrónico: J.S.Kaastra@sron.nl
Norbert Schartel
XMM-Newton Project Scientist
Agencia Espacial Europea
Correo electrónico: norbert.schartel@esa.int
Enlaces de interés:
• Publicado en XMM-Newton de la ESA el 24 de junio del 2.019, enlace publicación.
• Rueda de prensa de Chandra, enlace publicación.
