Abbiamo visto schemi intricati che il latte crea nel caffè e quelli molto più morbidi che il miele crea quando viene mescolato con un cucchiaio. Quale di questi casi descrive meglio il comportamento del gas caldo negli ammassi di galassie? Rispondendo a questa domanda, un nuovo studio che utilizza l'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA ha approfondito la nostra comprensione degli ammassi di galassie, le più grandi strutture dell'Universo tenute insieme dalla gravità.

Gli ammassi di galassie sono composti da tre componenti principali:singole galassie, gas multimilionario che riempie lo spazio tra le galassie, e materia oscura, una misteriosa forma di materia che si diffonde in un ammasso e rappresenta circa l'80% della massa dell'ammasso.

Un team di astronomi ha utilizzato una serie di lunghe osservazioni di Chandra, per un totale di circa due settimane di osservazione, dell'ammasso di galassie Coma per sondare le proprietà del gas su scale spaziali comparabili con una tipica distanza che le particelle percorrono tra le collisioni tra loro. Questa misurazione li ha aiutati a conoscere la viscosità, il termine tecnico per la resistenza al movimento dei grumi di gas l'uno rispetto all'altro, del gas caldo in Coma.

"La nostra scoperta suggerisce che la viscosità del gas in Coma è molto più bassa del previsto, " ha detto Irina Zhuravleva dell'Università di Chicago, che ha condotto lo studio. "Ciò significa che la turbolenza può facilmente svilupparsi nel gas caldo negli ammassi di galassie su piccola scala, analogo ai movimenti vorticosi in una tazza da caffè."

Il gas caldo in Coma si illumina alla luce dei raggi X osservata da Chandra. È noto che il gas contiene circa sei volte più massa di tutte le galassie combinate nell'ammasso. Nonostante la sua abbondanza, la densità del gas caldo in Coma, che le osservazioni radio hanno mostrato è permeato da un debole campo magnetico, è così basso che le particelle non interagiscono tra loro molto spesso. Una densità così bassa, il gas caldo non può essere studiato in un laboratorio sulla Terra, e quindi gli scienziati devono affidarsi a laboratori cosmici come quello fornito dal gas intergalattico in Coma.

"Abbiamo usato Chandra per sondare se la densità del gas è uniforme sulle scale più piccole che possiamo rilevare, " disse Eugenio Churazov, un coautore dell'Istituto Max Planck per l'astrofisica di Garching e dell'Istituto di ricerca spaziale di Mosca. "Abbiamo scoperto che non lo è, suggerendo che la turbolenza è presente anche su queste scale relativamente piccole e la viscosità è bassa".

Per giungere a queste conclusioni, il team si è concentrato su una regione lontana dal centro dell'ammasso di coma, dove la densità del gas caldo è persino inferiore rispetto a quella centrale. Qui, le particelle devono percorrere distanze maggiori, circa 100, 000 anni luce in media, per interagire con un'altra particella. Questa distanza è abbastanza grande da essere sondata con Chandra.

"Forse uno degli aspetti più sorprendenti è che siamo stati in grado di studiare la fisica su scale rilevanti per le interazioni tra le particelle atomiche in un oggetto a 320 milioni di anni luce di distanza, ", ha affermato il coautore Alexander Schekochihin dell'Università di Oxford nel Regno Unito. "Tali osservazioni aprono una grande opportunità per utilizzare gli ammassi di galassie come laboratori per studiare le proprietà fondamentali del gas caldo".

Perché la viscosità del gas caldo di Coma è così bassa? Una spiegazione è la presenza di irregolarità su piccola scala nel campo magnetico dell'ammasso. Queste irregolarità possono deviare le particelle nel gas caldo, che è composto da particelle caricate elettricamente, per lo più elettroni, e protoni. Queste deviazioni riducono la distanza che una particella può muoversi liberamente e, per estensione, la viscosità del gas.

La conoscenza della viscosità del gas in un ammasso di galassie e della facilità con cui si sviluppa la turbolenza aiuta gli scienziati a comprendere gli effetti di fenomeni importanti come collisioni e fusioni con altri ammassi di galassie, e gruppi di galassie. La turbolenza generata da questi potenti eventi può fungere da fonte di calore, impedendo al gas caldo negli ammassi di raffreddarsi per formare miliardi di nuove stelle.

I ricercatori hanno scelto il cluster Coma per questo studio perché ha la migliore combinazione di proprietà fisiche richieste. La distanza media tra le collisioni di particelle è maggiore per i gas con temperature più elevate e densità inferiori. Coma è più caldo di altri ammassi di galassie vicine più brillanti e ha una densità relativamente bassa, a differenza dei nuclei freddi e densi di altri ammassi di galassie luminose tra cui Perseo e Vergine. Ciò offre agli astronomi la possibilità di utilizzare l'ammasso Coma come laboratorio per lo studio della fisica del plasma.

Future misurazioni dirette delle velocità dei movimenti del gas con la missione di imaging e spettroscopia a raggi X (XRISM), una missione collaborativa tra l'Agenzia di esplorazione giapponese e la NASA, fornirà maggiori dettagli sulle dinamiche dei cluster, permettendoci di fare studi robusti di molti ammassi di galassie vicini. XRISM dovrebbe essere lanciato nei primi anni del 2020.

Un articolo che descrive questo risultato è apparso nel numero del 17 giugno della rivista Astronomia della natura .