Heißes Gas schwappt in Galaxienhaufen

Röntgenobservatorium XMM-Newton zeigt die großskalige Bewegung von Plasma

13. Januar 2020

Mithilfe des Röntgenobservatoriums XMM-Newton der europäischen Weltraumagentur ESA haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik heißes Gas identifiziert, das im Innern eines Galaxienhaufens herumschwappt - ein bisher unbekanntes Verhalten, das durch turbulente Verschmelzungsvorgänge ausgelöst werden könnte.

Galaxienhaufen sind die größten Systeme im Universum, die durch die Schwerkraft gebunden sind. Sie enthalten hunderte bis tausende von Galaxien und große Mengen an heißem Gas, ein sogenanntes Plasma mit Temperaturen von bis zu 50 Millionen Grad, das im Röntgenlicht hell leuchtet. Über die Bewegungen dieses Plasmas ist noch sehr wenig bekannt, sie könnte der Schlüssel zum Verständnis der Entstehung, Entwicklung und des Verhaltens von Galaxienhaufen sein.

Dieses Bild zeigt den Perseus-Galaxienhaufen - eines der massereichsten bekannten Objekte im Uni-versum - im Röntgenlicht, wie es von der European Photon Imaging Camera (EPIC) von XMM-Newton gesehen wird. Der zentrale Bereich des Galaxienhaufens leuchtet hell, von der Mitte des Bildes nach außen erstrecken sich eher diffuse Bereiche. Die überlagerten blauen und roten Pfeile zeigen die Bewegung des Gases im Haufen (relativ zum Haufen selbst), wobei blaue Pfeile Gas zeigen, das sich auf uns zu beweget, und rote Pfeile Gas, das sich entfernt. Die Länge des Pfeiles repräsentiert die Geschwindigkeit: Je länger der Pfeil, desto schneller bewegt sich das Gas.

"Wir haben zwei nahe gelegene, massereiche, helle und gut beobachtete Galaxienhaufen - Perseus und Coma - ausgewählt und zum ersten Mal kartiert, wie sich ihr Plasma bewegt: Ob es sich auf uns zu oder von uns weg bewegt, wie schnell es ist und so weiter", sagt der führende Autor Jeremy Sanders vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching. "Wir beobachteten dazu große Himmelsregionen, für Perseus etwa ein Gebiet mit der Größe von zwei Vollmonden und für Koma etwa vier Vollmonde."

Innerhalb des Perseus-Galaxienhaufens - eines der massereichsten bekannten Objekte im Universum und der hellste Haufen am Himmel im Röntgenlicht – fanden die Astronomen direkte Hinweise darauf, dass das Plasma strömt, spritzt und schwappt. Während diese Art von Bewegung theoretisch vorhergesagt wurde, war sie im Kosmos noch nie zuvor gesehen worden.

Mithilfe von Simulationen der Bewegung des Plasmas innerhalb des Haufens suchten die Forscher nach der Ursache für das Schwappen. Sie fanden heraus, dass wahrscheinlich kleinere Galaxienhaufen kollidieren und mit dem Haupthaufen verschmelzen. Diese Ereignisse sind energiereich genug, um das Gravitationsfeld von Perseus zu stören und eine schwappende Bewegung in Gang zu setzen, die viele Millionen Jahre andauern wird, bevor sie sich beruhigt.

Wie die obere Abbildung zeigt dieses Bild den hellen, nahen und massereichen Coma-Galaxienhaufen im Röntgenlicht. Die Dichte von Coma ist relativ gleichmäßig über die gesamte Fläche verteilt; dieser Haufen scheint aus zwei großen Unterhaufen zu bestehen, die langsam miteinander verschmelzen.

Im Gegensatz zu Perseus, der sich durch einen Haupthaufen und mehrere kleinere Unterstrukturen auszeichnet, enthält der Coma-Haufen kein schwappendes Plasma. Er scheint stattdessen ein massereicher Haufen zu sein, der aus zwei großen Komponenten besteht, die langsam miteinander verschmelzen.

"Coma enthält zwei massereiche Zentralgalaxien und nicht wie üblich ein einziges Materiemonster; außerdem scheinen verschiedene Regionen Material zu enthalten, das sich unterschiedlich bewegt", sagt Sanders. "Das deutet darauf hin, dass es mehrere Materieströme innerhalb des Coma-Haufens gibt, die sich noch nicht zu einem einzigen kohärenten Haufen zusammengeschlossen haben, wie wir es bei Perseus sehen."

Hinweise

Die Studie verwendet Röntgenbeobachtungen der European Photon Imaging Camera (EPIC) von XMM-Newton und Daten des Hitomi-Satelliten von JAXA zum Vergleich und zur Kalibrierung.

Ermöglicht wurden diese Erkenntnisse durch eine neue Kalibrierungstechnik, die bei der European Photon Imaging Camera (EPIC) von XMM-Newton angewendet wurde. Die ausgeklügelte Methode, bei der zwei Jahrzehnte an archivierten EPIC-Daten einflossen, verbessert die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessungen der Kamera um einen Faktor über 3,5. Diese Technik ermöglichte es, das Gas in den Haufen genauer abzubilden.

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