Hemos visto patrones intrincados que produce la leche en el café y otros mucho más suaves que produce 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 utilizando 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 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 forma misteriosa de materia que se extiende por todo un cúmulo y representa aproximadamente el 80 por ciento de la masa del cúmulo.

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

"Nuestro hallazgo 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 los cúmulos de galaxias a pequeña escala, análogo a los movimientos giratorios en una taza de café ".

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

"Usamos 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 del Instituto de Investigación Espacial de Moscú. "Descubrimos 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, alrededor de 100, 000 años luz en promedio — para interactuar con otra partícula. Esta distancia es lo suficientemente grande como para probarla con Chandra.

“Quizás uno de los aspectos más sorprendentes es que pudimos estudiar la 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 utilizar los cúmulos de galaxias como laboratorios para estudiar las propiedades fundamentales del gas caliente ".

¿Por qué la viscosidad del gas caliente de Coma es tan baja? Una explicación es la presencia de irregularidades a pequeña escala en el campo magnético del cúmulo. Estas irregularidades pueden desviar partículas en el gas caliente, que se compone 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.

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 las colisiones y fusiones con otros cúmulos de galaxias. y grupos de galaxias. La turbulencia generada por estos poderosos eventos puede actuar como una fuente de calor, impidiendo que el gas caliente en cúmulos 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 requerida. La distancia promedio entre las colisiones de partículas es mayor para el gas con temperaturas más altas y densidades más bajas. El coma es más caliente que otros cúmulos de galaxias cercanas 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 utilizar el cúmulo de Coma como laboratorio para estudiar la física del plasma.

Futuras mediciones directas de las velocidades de los movimientos de los gases con la Misión de Espectroscopía y Imágenes de Rayos X (XRISM), una misión de colaboración entre la Agencia de Exploración Japonesa y la NASA, proporcionará más detalles sobre la dinámica de los clústeres, permitiéndonos realizar estudios sólidos de muchos cúmulos de galaxias cercanas. Se espera que XRISM se lance a principios de la década de 2020.

Un artículo que describe este resultado apareció en la edición del 17 de junio de la revista. Astronomía de la naturaleza .