Primera observación de gas caliente en cúmulos de galaxias.


Esta imagen muestra el cúmulo de galaxias Perseus, uno de los objetos más masivos conocidos en el Universo, en rayos X y luz óptica, como se ve por la Cámara Europea de Imágenes de Fotones (EPIC) de XMM-Newton y el Digitzed Sky Survey II, respectivamente. Usando XMM-Newton para estudiar Perseo, los astrónomos detectaron los primeros signos de este gas caliente salpicando y chapoteando, un comportamiento que, aunque se predijo, nunca antes se había visto. Copyright: ESA / XMM-Newton / DSS-II / J. Sanders y col. 2019.

Última actualización: 10 de enero de 2020, enlace publicación.

El observatorio de rayos X XMM-Newton de la ESA ha observado gas caliente chapoteando dentro de un cúmulo de galaxias, un comportamiento nunca antes visto que puede ser impulsado por eventos de fusión turbulentos.

Los cúmulos de galaxias son los sistemas más grandes del Universo unidos por la gravedad. Contienen cientos de miles de galaxias y grandes cantidades de gas caliente conocido como plasma, que alcanza temperaturas de alrededor de 50 millones de grados y brilla intensamente en los rayos X.

Se sabe muy poco sobre cómo se mueve este plasma, pero explorar sus movimientos puede ser clave para comprender cómo se forman, evolucionan y se comportan los cúmulos de galaxias.

"Seleccionamos dos cúmulos de galaxias cercanos, masivos, brillantes y bien observados, Perseo y Coma, y ​​mapeamos cómo se movía su plasma, si se movía hacia nosotros o fuera de nosotros, su velocidad, etc., por primera vez". dice Jeremy Sanders del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching, Alemania, y autor principal del nuevo estudio.

"Hicimos esto en grandes regiones del cielo: un área aproximadamente del tamaño de dos lunas llenas para Perseo, y cuatro para Coma. Realmente necesitábamos XMM-Newton para esto, ya que sería extremadamente difícil cubrir áreas tan grandes con cualquier otra nave espacial ".

Jeremy y sus colegas encontraron signos directos de flujo de plasma, salpicando y chapoteando dentro del cúmulo de galaxias de Perseo, uno de los objetos más masivos conocidos del Universo, y el cúmulo más brillante del cielo en términos de rayos X. Si bien este tipo de movimiento se ha predicho teóricamente, nunca antes se había visto en el cosmos.

Esta imagen muestra el cúmulo de galaxias de Perseo, uno de los objetos más masivos conocidos del Universo, en rayos X, como se ve por la Cámara Europea de Imágenes de Fotones (EPIC) de XMM-Newton. La región central del grupo se puede ver brillando intensamente, con sus regiones externas difusas que se extienden hacia afuera desde el centro del marco. La densidad de Perseo aumenta rápidamente cuando uno se acerca al centro frío del grupo; esto se refleja en su brillo de rayos X, que cambia rápidamente con el radio (como lo ilustra el color de esta imagen). Las flechas azules y rojas superpuestas muestran el movimiento del gas en la región (en relación con el grupo en sí), con flechas azules que representan el gas que se mueve hacia nosotros, y rojo que representa el gas que se aleja. La longitud de la 'cola' en las flechas representa el tamaño de la velocidad: cuanto más larga es la cola de la flecha, más rápido se mueve el gas. Esta imagen es parte de un nuevo estudio de Perseo que detectó los primeros signos de este gas salpicando y chapoteando, un comportamiento que, aunque se predijo, nunca se había visto antes. Copyright: ESA / XMM-Newton / J. Sanders y col. 2019 ¡.

Al observar simulaciones de cómo se movía el plasma dentro del grupo, los investigadores exploraron qué estaba causando el chapoteo. Descubrieron que era probable debido a pequeños subgrupos de galaxias que colisionan y se fusionan con el cúmulo principal. Estos eventos son lo suficientemente enérgicos como para interrumpir el campo gravitacional de Perseo y poner en marcha un movimiento de chapoteo que durará muchos millones de años antes de establecerse.

A diferencia de Perseo, que se caracteriza por un grupo principal y varias subestructuras más pequeñas, el grupo Coma no contenía plasma sloshing, y parece ser un grupo masivo formado por dos subgrupos principales que se fusionan lentamente.

Esta imagen muestra una simulación del cúmulo de galaxias Perseus, uno de los objetos más masivos conocidos del Universo. Un nuevo estudio basado en observaciones del XMM-Newton de la ESA detectó los primeros signos de este gas salpicando y chapoteando dentro de Perseo, un comportamiento que, aunque se predijo, nunca se había visto antes. Estos tres cuadros simulados muestran el brillo de la superficie del gas en racimo en rayos X (izquierda), la temperatura del gas (centro) y la velocidad del gas (derecha). Los valores representados en cada cuadro se representan en la barra de color en la parte superior de cada cuadro: el gas más brillante se ve en tonos de amarillo anaranjado y el más oscuro en púrpura oscuro y negro (izquierda); el gas más caliente está en rojo oscuro y el más frío en azul oscuro (centro); y el gas más rápido está en tonos de lima y amarillo, mientras que el más lento es azul oscuro (derecha). Copyright: Cortesía de J. Zuhone, Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica.
"Coma contiene dos galaxias centrales masivas en lugar del monstruo único habitual de un cúmulo, y diferentes regiones parecen contener material que se mueve de manera diferente", dice Jeremy. "Esto indica que hay múltiples flujos de material dentro del grupo Coma que aún no se han unido para formar una sola burbuja coherente, como vemos con Perseus".

El hallazgo fue posible gracias a una nueva técnica de calibración aplicada a la Cámara Europea de Imágenes de Fotones (EPIC) de XMM-Newton. El ingenioso método, que implicó extraer dos décadas de datos EPIC de archivo, mejoró la precisión de las mediciones de velocidad de la cámara en un factor superior a 3,5, elevando las capacidades de XMM-Newton a un nuevo nivel.

Esta imagen muestra el cúmulo de galaxias Coma brillante, cercano y masivo en rayos X y luz óptica, como lo ve la Cámara Europea de Imágenes de Fotones (EPIC) de XMM-Newton y el Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Utilizando XMM-Newton para estudiar Coma y otro grupo notablemente masivo, Perseo, los astrónomos detectaron los primeros signos de gas que se derramaban en Perseo, un comportamiento que, aunque se predijo, nunca se había visto antes, mientras que Coma parece comprender dos subgrupos principales que se fusionan lentamente Copyright: ESA / XMM-Newton / SDSS / J. Sanders y col. 2019.

"La cámara EPIC tiene una señal de fondo instrumental: las llamadas 'líneas fluorescentes' que siempre están presentes en nuestros datos y a veces pueden ser molestas, ya que generalmente no son lo que estamos buscando", agrega el coautor Ciro Pinto, investigador de la ESA en el Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial en Noordwijk, Países Bajos, quien recientemente se mudó al Instituto Nacional de Astrofísica de Italia.

"Decidimos usar estas líneas, que son una característica constante, para comparar y alinear datos EPIC de los últimos 20 años para determinar mejor cómo se comporta la cámara, y luego usamos esto para corregir cualquier variación o efecto instrumental".

Esta técnica permitió mapear el gas en los grupos con mayor precisión. Jeremy, Ciro y sus colegas usaron las líneas de fondo para reconocer y eliminar variaciones individuales entre observaciones, y luego eliminaron cualquier efecto instrumental más sutil identificado y marcado por sus 20 años de minería de datos EPIC.

EPIC consta de tres cámaras CCD diseñadas para capturar rayos X de baja y alta energía, y es uno de los tres instrumentos avanzados a bordo de XMM-Newton.

Explorando el dinámico cielo de rayos X desde su lanzamiento en 1999, XMM-Newton es el satélite científico más grande jamás construido en Europa, y lleva algunos de los espejos telescópicos más potentes jamás desarrollados.

Esta imagen muestra el cúmulo de galaxias Coma brillante, cercano y masivo en rayos X, como se ve por la Cámara Europea de Imágenes de Fotones (EPIC) de XMM-Newton. Las regiones centrales del grupo se pueden ver brillando intensamente, con sus regiones externas difusas que se extienden hacia afuera desde el centro del marco. La densidad de Coma es relativamente uniforme en toda su área, como se refleja en el color (y, por lo tanto, el brillo) de las diferentes regiones de esta imagen, pero se eleva suavemente hacia el centro. Las flechas azules y rojas superpuestas muestran el movimiento del gas en la región (en relación con el grupo en sí), con flechas azules que representan el gas que se mueve hacia nosotros, y rojo que representa el gas que se aleja. La longitud de la "cola" en las flechas representa el tamaño de la velocidad: cuanto más larga es la cola de la flecha, más rápido se mueve el gas. Esta imagen es parte de un nuevo estudio de Coma y otro grupo cercano, Perseo. El estudio detectó los primeros signos de gas goteando en Perseo, un comportamiento que, aunque se predijo, nunca se había visto antes, mientras que Coma parece comprender dos subgrupos principales que se están fusionando lentamente. Copyright: ESA / XMM-Newton / J. Sanders y col. 2019.

"Esta técnica de calibración resalta las nuevas capacidades de la cámara EPIC", dice Norbert Schartel, científico del proyecto ESA XMM-Newton.

"La astrofísica de alta energía a menudo implica comparar datos de rayos X en diferentes puntos del cosmos para todo, desde plasma hasta agujeros negros, por lo que la capacidad de minimizar los efectos instrumentales es clave. Al usar observaciones pasadas de XMM-Newton para refinar los futuros, el nuevo la técnica puede abrir oportunidades inspiradoras para nuevas investigaciones y descubrimientos ".

Estas observaciones de XMM-Newton también permanecerán sin paralelo hasta el lanzamiento del Telescopio avanzado de astrofísica de alta energía de la ESA (Athena) en 2031. Mientras que cubrir áreas tan grandes del cielo estará más allá de las capacidades de los telescopios como el próximo JAXA / NASA de rayos X y misión de espectroscopía, o XRISM, Athena combinará un gran telescopio de rayos X con instrumentos científicos de última generación para arrojar nueva luz sobre el universo caliente y enérgico.

Imagen de autor del telescopio espacial de rayos X de la ESA XMM-Newton. Copyright: ESA / D. Ducros

Notas para editores.

"Medición de flujos a granel del medio intragrupo en los cúmulos de galaxias Perseus y Coma usando XMM-Newton" por J. S. Sanders et al. Se publica en Astronomía y Astrofísica.

El estudio utiliza observaciones de rayos X de la Cámara Europea de Imágenes de Fotones (EPIC) de XMM-Newton, y datos del satélite Hitomi de JAXA para comparar y elementos de calibración.

Contacto de medios:

Jeremy Sanders

Instituto Max Planck de Física Extraterrestre
Garching, Alemania
Correo electrónico: jsanders@mpe.mpg.de

Ciro Pinto

Agencia Espacial Europea
Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial
Noordwijk, Holanda
Instituto de Astrofísica Espacial y Física Cósmica (IASF)
Instituto Nacional de Astrofísica (INAF)
Palermo, Italia
Correo electrónico: ciro.pinto@inaf.it

Norbert Schartel

Científico del proyecto XMM-Newton
Agencia Espacial Europea
Correo electrónico: norbert.schartel@esa.int

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