Simulazione di gas esplosivi nell'ammasso di galassie di Perseus. Credito: J. Zuhone, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Capire come gli ammassi di galassie si formano

Gli ammassi di galassie sono i più grandi sistemi nell’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 intensamente ai raggi X.

Si sa molto poco su come si muove questo plasma, ma esplorarne i movimenti può essere la chiave per capire come gli ammassi di galassie si formano, si evolvono e si comportano.

Vista XMM-Newton dei movimenti di gas caldo nell’ammasso di galassie di Perseus. Credit: ESA / XMM-Newton / J. Sanders et al. 2019

Abbiamo selezionato due ammassi di galassie vicine, massicce, luminose e ben osservate – Perseo e Chioma – e abbiamo mappato per la prima volta come si muoveva il loro plasma, la sua direzione (verso o lontano da noi), la sua velocità e così via“, afferma Jeremy Sanders del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics di Garching, in Germania, e autore principale del nuovo studio.

Lo abbiamo fatto su vaste regioni di cielo: un’area approssimativamente grande come due Lune piene per Perseo e quattro per Chioma. Avevamo davvero bisogno di XMM-Newton per questo, poiché sarebbe estremamente difficile coprire aree così vaste con qualsiasi altro veicolo spaziale”.

L’ammasso di Perseo

Jeremy e colleghi hanno trovato segni diretti di flusso di plasma, schizzi e schizzi all’interno del gruppo di galassie di Perseo – uno degli oggetti più massicci conosciuti nell’Universo e il gruppo più luminoso del cielo in termini di raggi X. Sebbene questo tipo di movimento sia stato teoricamente previsto, non era mai stato visto prima nel cosmo.

Osservando le simulazioni di come il plasma si muoveva all’interno del cluster, i ricercatori hanno quindi esplorato ciò che stava causando lo sloshing. Lo hanno trovato probabilmente a causa di piccoli sottogruppi di galassie che si scontrano e si fondono con il cluster principale. Questi eventi sono abbastanza energici da interrompere il campo gravitazionale di Perseo e dare il via a un movimento che durerà per milioni di anni prima di stabilizzarsi.

Simulazione di gas esplosivi nell’ammasso di galassie di Perseus. Credito: J. Zuhone, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

L’ammasso della Chioma

A differenza di Perseo, che è caratterizzato da un ammasso principale e da diverse sottostrutture più piccole, l’ammasso della Chioma non contiene plasma che scorre e sembra invece essere un ammasso massiccio costituito da due ammassi secondari principali che si stanno lentamente fondendo insieme.

L’ammasso della Chioma contiene due enormi galassie centrali anziché il solito singolo colosso di un ammasso e diverse regioni sembrano contenere materiale che si muove in modo diverso“, afferma Jeremy. Ciò indica che ci sono più flussi di materiale all’interno del cluster Chioma che non si sono ancora riuniti per formarene uno, come vediamo con Perseo.”

Una nuova tecnica di calibrazione

La scoperta è stata resa possibile da una nuova tecnica di calibrazione applicata da XMM-Newton‘s Camera europea Photon Imaging (EPIC). Il metodo ingegnoso, che ha comportato il mining di due decenni di dati EPIC, ha migliorato l’accuratezza delle misurazioni della velocità della fotocamera di un fattore di oltre 3,5, portando le capacità di XMM-Newton a un nuovo livello.

La fotoocamera EPIC ha un segnale di sottofondo strumentale: le cosiddette “fluorescent lines” che sono sempre presenti nei nostri dati e a volte possono essere fastidiose poiché di solito non sono ciò che stiamo cercando“, aggiunge il coautore Ciro Pinto, ricercatore dell’ESA presso il Centro europeo di ricerca e tecnologia spaziale di Noordwijk, nei Paesi Bassi, che di recente si è trasferito all’Istituto nazionale di astrofisica.

Abbiamo deciso di utilizzare queste linee, che sono una caratteristica costante, per confrontare e allineare i dati EPIC degli ultimi 20 anni per determinare meglio il comportamento della fotocamera e quindi li abbiamo usati per correggere eventuali variazioni o effetti strumentali“.

Questa tecnica ha permesso di mappare il gas nei cluster in modo più accurato. Jeremy, Ciro e colleghi hanno usato le linee di fondo per riconoscere e rimuovere le singole variazioni tra le osservazioni, quindi hanno eliminato tutti gli effetti strumentali più sottili identificati e contrassegnati dai loro 20 anni di data mining.

EPIC comprende tre telecamere CCD progettate per catturare raggi X sia a bassa che ad alta energia ed è uno dei tre strumenti avanzati a bordo di XMM-Newton. Esplorando il cielo dinamico dei 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 telescopici mai sviluppati.

Raggi X e vista ottica dell’ammasso della Chioma. Credit: ESA / XMM-Newton / SDSS / J. Sanders et al. 2019

Questa tecnica di calibrazione mette in evidenza le nuove funzionalità della telecamera EPIC“, afferma Norbert Schartel, scienziato del progetto XMM-Newton dell’ESA. “L’astrofisica ad alta energia 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 minimizzare gli effetti strumentali è fondamentale. Utilizzando le precedenti osservazioni XMM-Newton per perfezionare quelle future, la nuova tecnica potrebbe aprire opportunità stimolanti per nuove ricerche e scoperte“.

Athena – 2031

Queste osservazioni XMM-Newton rimarranno impareggiabili fino al lancio dell’ESA’s Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics (Athena) nel 2031. Considerando che coprire così vaste aree di cielo sarà ampiamente al di là delle capacità di telescopi come il prossimo JAXA / NASA X -ray Imaging and Spectroscopy Mission , o XRISM, Athena combinerà un grande telescopio a raggi X con strumenti scientifici all’avanguardia per gettare nuova luce sull’universo caldo ed energico.

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