El cúmulo de galaxias de Perseo, ubicado a unos 240 millones de años luz de distancia, se muestra en esta combinación de luz visible (verde y roja) e imágenes de infrarrojo cercano del Sloan Digital Sky Survey. Invisible aquí es un delgado, caliente, Gas emisor de rayos X que llena el cúmulo. Crédito:Robert Lupton y el consorcio Sloan Digital Sky Survey
Antes de que su breve misión terminara inesperadamente en marzo de 2016, El observatorio de rayos X Hitomi de Japón capturó información excepcional sobre los movimientos del gas caliente en el cúmulo de galaxias Perseus. Ahora, gracias a un detalle sin precedentes proporcionado por un instrumento desarrollado conjuntamente por la NASA y la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA), Los científicos han podido analizar más profundamente la composición química de este gas, proporcionando nuevos conocimientos sobre las explosiones estelares que formaron la mayoría de estos elementos y los arrojaron al espacio.
El cúmulo de Perseo, ubicado a 240 millones de años luz de distancia en la constelación del mismo nombre, es el cúmulo de galaxias más brillante en rayos X y uno de los más masivos cerca de la Tierra. Contiene miles de galaxias que orbitan dentro de un gas caliente delgado, todos unidos por la gravedad. El gas tiene un promedio de 90 millones de grados Fahrenheit (50 millones de grados Celsius) y es la fuente de emisión de rayos X del cúmulo.
Utilizando el espectrómetro de rayos X suave de alta resolución (SXS) de Hitomi, Los investigadores observaron el cúmulo entre el 25 de febrero y el 6 de marzo, 2016, adquiriendo una exposición total de casi 3,4 días. El SXS observó un espectro sin precedentes, revelando un paisaje de picos de rayos X emitidos por varios elementos químicos con una resolución unas 30 veces mejor que la vista anteriormente.
En un artículo publicado en línea en la revista Naturaleza el 13 de noviembre, el equipo científico muestra que las proporciones de elementos que se encuentran en el cúmulo son casi idénticas a las que ven los astrónomos en el Sol.
"No había ninguna razón para esperar que inicialmente, "dijo el coautor Michael Loewenstein, un científico investigador de la Universidad de Maryland en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. "El cúmulo de Perseus es un entorno diferente con una historia diferente a la de nuestro Sol. Después de todo, los cúmulos representan una distribución química promedio de muchos tipos de estrellas en muchos tipos de galaxias que se formaron mucho antes que el Sol ".
Un grupo de elementos está estrechamente relacionado con una clase particular de explosión estelar, llamadas supernovas de Tipo Ia. Se cree que estas explosiones son responsables de producir la mayor parte del cromo del universo, manganeso, Hierro y níquel:metales conocidos colectivamente como elementos de "pico de hierro".
El espectrómetro de rayos X suave (SXS) de Hitomi capturó datos de dos áreas superpuestas del cúmulo de galaxias Perseus (contornos azules, arriba a la derecha) en febrero y marzo de 2016. El espectro resultante tiene 30 veces el detalle de cualquier capturado previamente, revelando muchos picos de rayos X asociados con el cromo, manganeso, níquel y hierro. Las líneas de color azul oscuro en los recuadros indican los puntos de datos de rayos X reales y sus incertidumbres. Crédito:Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA
Las supernovas de tipo Ia implican la destrucción total de una enana blanca, un remanente compacto producido por estrellas como el Sol. Aunque estable por sí solo, una enana blanca puede sufrir una explosión termonuclear descontrolada si se empareja con otro objeto como parte de un sistema binario. Esto ocurre al fusionarse con una enana blanca compañera o, cuando se combina con una estrella normal cercana, robando algo de gas de socio. La materia transferida puede acumularse en la enana blanca, aumentando gradualmente su masa hasta que se vuelve inestable y explota.
Una importante cuestión abierta ha sido si la explosión de la enana blanca está cerca de este límite de estabilidad, alrededor de 1,4 masas solares, independientemente de sus orígenes. Diferentes masas producen diferentes cantidades de metales con picos de hierro, por lo que un recuento detallado de estos elementos en una gran región del espacio, como el cúmulo de galaxias de Perseo, podría indicar qué tipo de enanas blancas explotaban con más frecuencia.
"Resulta que se necesita una combinación de supernovas de Tipo Ia con diferentes masas en el momento de la explosión para producir las abundancias químicas que vemos en el gas en el medio del cúmulo de Perseus". "dijo Hiroya Yamaguchi, autor principal del artículo y científico investigador de la UMD en Goddard. "Confirmamos que al menos aproximadamente la mitad de las supernovas de Tipo Ia deben haber alcanzado casi 1,4 masas solares".
Tomados en conjunto, Los hallazgos sugieren que la misma combinación de supernovas de Tipo Ia que producen elementos de pico de hierro en nuestro sistema solar también produjo estos metales en el gas del cúmulo. Esto significa que tanto el sistema solar como el cúmulo de Perseo experimentaron una evolución química muy similar. lo que sugiere que los procesos que forman las estrellas, y los sistemas que se convirtieron en supernovas de Tipo Ia, eran comparables en ambos lugares.
"Aunque este es solo un ejemplo, no hay razón para dudar de que esta similitud podría extenderse más allá de nuestro Sol y el cúmulo de Perseo a otras galaxias con propiedades diferentes, "dijo la coautora Kyoko Matsushita, profesor de física en la Universidad de Ciencias de Tokio.
Aunque de corta duración, la misión Hitomi y su revolucionario instrumento SXS, desarrollado y construido por científicos de Goddard que trabajan en estrecha colaboración con colegas de varias instituciones en los Estados Unidos, Japón y los Países Bajos:han demostrado la promesa de la espectrometría de rayos X de alta resolución.
Ilustración de Hitomi, un observatorio astronómico de rayos X. Crédito:Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA)
"Hitomi nos ha permitido profundizar en la historia de una de las estructuras más grandes del universo, el cúmulo de galaxias de Perseo, y explorar cómo se comportan las partículas y los materiales en las condiciones extremas allí, "dijo Richard Kelley de Goddard, el investigador principal de Estados Unidos para la colaboración con Hitomi. "Nuestros cálculos más recientes han proporcionado una idea de cómo y por qué ciertos elementos químicos se distribuyen en las galaxias más allá de la nuestra".
Los científicos de JAXA y la NASA ahora están trabajando para recuperar las capacidades científicas perdidas en el accidente de Hitomi al colaborar en la Misión de Recuperación de Astronomía de Rayos X (XARM), se espera que se lance en 2021. Uno de sus instrumentos tendrá capacidades similares a las del SXS volado en Hitomi.
Hitomi se lanzó el 17 de febrero 2016, y sufrió una anomalía en la nave espacial que puso fin a la misión 38 días después. Hitomi, que se traduce como "pupila del ojo, "antes del lanzamiento se conocía como ASTRO-H. La misión fue desarrollada por el Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas, una división de JAXA. Fue construido conjuntamente por una colaboración internacional liderada por JAXA, con contribuciones de Goddard y otras instituciones en los Estados Unidos, Japón, Canadá y Europa.
