L'osservatorio a raggi X XMM-Newton dell'ESA ha osservato gas caldo che si agita all'interno di un ammasso di galassie, un comportamento mai visto prima che potrebbe essere causato da turbolenti eventi di fusione.

Gli ammassi di galassie sono i più grandi sistemi dell'universo legati insieme dalla gravità. Contengono da centinaia a migliaia di galassie e grandi quantità di gas caldo noto come plasma, che raggiunge temperature di circa 50 milioni di gradi e brilla brillantemente ai raggi X.

Si sa molto poco su come si muove questo plasma, ma esplorare i suoi movimenti potrebbe essere la chiave per capire come si formano gli ammassi di galassie, evolversi e comportarsi.

"Ne abbiamo selezionati due nelle vicinanze, massiccio, ammassi di galassie luminosi e ben osservati, Perseo e Coma, e mappato come si muoveva il loro plasma, se si stava avvicinando o allontanandosi da noi, la sua velocità, e così via, per la prima volta, " dice Jeremy Sanders del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics a Garching, Germania, e autore principale del nuovo studio.

"Lo abbiamo fatto su vaste regioni del cielo:un'area grande all'incirca come due lune piene per Perseo, e quattro per Coma. Avevamo davvero bisogno di XMM-Newton per questo, poiché sarebbe estremamente difficile coprire aree così grandi con qualsiasi altro veicolo spaziale".

Jeremy e colleghi hanno trovato segni diretti di flusso di plasma, schizzando e sguazzando all'interno dell'ammasso di galassie Perseus, uno degli oggetti conosciuti più massicci dell'universo, e l'ammasso più luminoso del cielo in termini di raggi X. Sebbene questo tipo di movimento sia stato previsto teoricamente, non era mai stato visto prima nel cosmo.

Osservando le simulazioni di come il plasma si è mosso all'interno dell'ammasso, i ricercatori hanno quindi esplorato cosa stava causando lo sloshing. Hanno scoperto che è probabilmente dovuto a sotto-ammasso di galassie più piccoli che collidono e si fondono con l'ammasso principale stesso. Questi eventi sono abbastanza energici da interrompere il campo gravitazionale di Perseo e avviare un movimento vorticoso che durerà per molti milioni di anni prima di stabilizzarsi.

A differenza di Perseo, caratterizzata da un cluster principale e da numerose sottostrutture minori, l'ammasso di Coma non conteneva plasma scrosciante, e sembra invece essere un enorme ammasso composto da due principali sub-cluster che si stanno lentamente fondendo insieme.

"Coma contiene due enormi galassie centrali piuttosto che il solito singolo colosso di un ammasso, e diverse regioni sembrano contenere materiale che si muove in modo diverso, " dice Jeremy. "Questo indica che ci sono più flussi di materiale all'interno del cluster Coma che non si sono ancora riuniti per formare un unico 'blob' coerente, come vediamo con Perseo."

La scoperta è stata resa possibile da una nuova tecnica di calibrazione applicata alla European Photon Imaging Camera (EPIC) di XMM-Newton. Il metodo ingegnoso, che ha comportato l'estrazione di due decenni di dati EPIC d'archivio, ha migliorato la precisione delle misurazioni della velocità della fotocamera di un fattore superiore a 3,5, portando le capacità di XMM-Newton a un nuovo livello.

"La telecamera EPIC ha un segnale strumentale di fondo, le cosiddette 'linee fluorescenti' che sono sempre presenti nei nostri dati, e a volte possono essere fastidiosi in quanto di solito non sono ciò che stiamo cercando, " aggiunge il coautore Ciro Pinto, un ricercatore dell'ESA presso il Centro europeo di ricerca e tecnologia spaziale di Noordwijk, Paesi Bassi, che da poco si è trasferito all'Istituto Nazionale di Astrofisica.

"Abbiamo deciso di utilizzare queste linee, che sono una caratteristica costante, confrontare e allineare i dati EPIC degli ultimi 20 anni per determinare meglio come si comporta la fotocamera, e poi usato questo per correggere qualsiasi variazione o effetto strumentale."

Questa tecnica ha permesso di mappare il gas negli ammassi in modo più accurato. Jeremy, Ciro e colleghi hanno utilizzato le linee di sfondo per riconoscere e rimuovere le variazioni individuali tra le osservazioni, e poi hanno eliminato qualsiasi effetto strumentale più sottile identificato e segnalato dai loro 20 anni di EPIC data mining.

EPIC comprende tre telecamere CCD progettate per catturare raggi X sia a bassa che ad alta energia, ed è uno di un trio di strumenti avanzati a bordo di XMM-Newton.

Esplorando il cielo dinamico a raggi X sin dal suo lancio nel 1999, XMM-Newton è il più grande satellite scientifico mai costruito in Europa, e trasporta alcuni dei più potenti specchi per telescopi mai sviluppati.

"Questa tecnica di calibrazione mette in evidenza le nuove capacità della fotocamera EPIC, "dice Norbert Schartel, Scienziato del progetto ESA XMM-Newton.

"L'astrofisica delle alte energie spesso comporta il confronto dei dati dei raggi X in diversi punti del cosmo per qualsiasi cosa, dal plasma ai buchi neri, quindi la capacità di ridurre al minimo gli effetti strumentali è fondamentale. Utilizzando le osservazioni XMM-Newton passate per perfezionare quelle future, the new technique may open up inspiring opportunities for new research and discovery."

These XMM-Newton observations will also remain unparalleled until the launch of ESA's Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics (Athena) in 2031. Whereas covering such large areas of sky will largely be beyond the capabilities of telescopes such as the upcoming JAXA/NASA X-ray Imaging and Spectroscopy Mission, or XRISM, Athena will combine a large X-ray telescope with state-of-the-art scientific instruments to shed new light on the hot, energetic universe.