XMM-Newton detecta por primera vez ondas de plasma en movimiento en un clúster de galaxias

Los cúmulos de galaxias son los mayores sistemas unidos por gravedad del universo. Contienen de cientos a miles de galaxias y grandes cantidades de gas caliente, conocido como plasma, que puede alcanzar temperaturas de unos 50 millones de grados y que resulta muy brillante en rayos X.

Se sabe muy poco sobre cómo se mueve este plasma, pero su estudio puede ser la clave para entender cómo se forman, evolucionan y se comportan los cúmulos de galaxias.

“Seleccionamos dos cúmulos de galaxias cercanos, masivos, brillantes y muy observados, Perseo y Coma, y cartografiamos por primera vez el movimiento del plasma (tanto hacia nosotros como en sentido contrario), la velocidad, etc.”, explica Jeremy Sanders, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching (Alemania) y autor principal del nuevo estudio.

“Tomamos medidas en amplias regiones del firmamento: un área aproximadamente del tamaño de dos lunas llenas en el caso de Perseo y de cuatro en el caso de Coma. Para poder lograrlo era imprescindible contar con XMM-Newton, ya que habría sido muy difícil abarcar zonas tan extensas con otra nave”.

Jeremy y sus colaboradores encontraron señales directas de plasma que fluía, se precipitaba y chapoteaba dentro del cúmulo de galaxias de Perseo, uno de los objetos más masivos conocidos del universo y el cúmulo más brillante del firmamento en términos de rayos X. Aunque que este tipo de movimiento se había predicho en teoría, hasta ahora nunca se había visto en el cosmos.

Observando las simulaciones del movimiento del plasma dentro del cúmulo, los investigadores analizaron las causas de este movimiento de chapoteo y vieron que probablemente se debía al choque y la fusión de subcúmulos de galaxias dentro del cúmulo principal. Estos eventos son lo bastante energéticos como para perturbar el campo gravitacional de Perseo y originar un movimiento de turbulencia que durará varios millones de años antes de calmarse.

A diferencia de Perseo, caracterizado por un cúmulo principal y varias subestructuras menores, el cúmulo de Coma no mostraba movimientos de chapoteo de plasma, sino que parece ser un cúmulo masivo formado por dos grandes subcúmulos que se están fusionando lentamente.

“Coma contiene dos galaxias masivas centrales en lugar del único cúmulo gigantesco que suele verse, y las distintas regiones parecen contener material que se mueve de forma distinta”, señala Jeremy.

“Esto indica que hay múltiples corrientes de material dentro del cúmulo de Coma que aún no se han agrupado para formar una única acumulación coherente, como vemos en Perseo”.

El hallazgo fue posible gracias a una nueva técnica de calibración aplicada a la Cámara Europea de Imágenes de Fotones (EPIC) de XMM-Newton. Este ingenioso método, que implica la explotación de dos decenios de datos de archivo de EPIC, mejoró la precisión de las mediciones de velocidad de la cámara por un factor de más de 3,5, lo que ha elevado las capacidades de XMM-Newton hasta un nuevo nivel.

“La cámara EPIC tiene una señal de fondo instrumental, las llamadas ‘líneas fluorescentes’, que siempre está presente en nuestros datos y que, a veces, puede molestar porque no suele ser lo que estamos buscando”, añade el coautor Ciro Pinto, investigador de la ESA en el Centro de Investigación y Tecnología Espacial de Noordwijk (Países Bajos), que recientemente se ha trasladado al Instituto Nacional de Astrofísica de Italia.

“Decidimos aprovechar estas líneas, que son constantes, para comparar y alinear los datos de EPIC de los últimos 20 años y así determinar mejor el comportamiento de la cámara para luego corregir las variaciones o efectos instrumentales”.

Esta técnica permitió cartografiar con mayor precisión el gas en los cúmulos. Jeremy, Ciro y sus colaboradores emplearon las líneas de fondo para reconocer y borrar las variaciones individuales entre las observaciones y, después, eliminar cualquier efecto instrumental identificado y marcado a partir de los 20 años de minería de datos de EPIC.

EPIC comprende tres cámaras CCD, diseñadas para capturar rayos X tanto de baja como de alta energía, y es uno de los tres instrumentos avanzados a bordo de XMM-Newton.

XMM-Newton, que explora el firmamento dinámico en rayos X desde su lanzamiento en 1999, es el mayor satélite científico construido en Europa y transporta algunos de los espejos de telescopio más potentes jamás desarrollados.

“Esta técnica de calibración subraya las novedosas capacidades de la cámara EPIC”, apunta Norbert Schartel, científico del proyecto XMM-Newton de la ESA.

“La astrofísica de alta energía a menudo implica comparar datos de rayos X en distintos puntos del cosmos, desde plasma hasta agujeros negros, por lo que la capacidad de minimizar efectos instrumentales es clave. Al utilizar observaciones pasadas de XMM-Newton para mejorar las futuras, esta nueva técnica podría ofrecer nuevas oportunidades de investigación y descubrimientos”.

Estas observaciones de XMM-Newton seguirán siendo únicas hasta el lanzamiento del Telescopio Avanzado para la Astrofísica de Alta Energía (Athena) de la ESA en 2031. A pesar de que abarcar áreas tan grandes del firmamento seguirá fuera de las capacidades de telescopios como la futura Misión de Espectroscopia e Imágenes de rayos X (XRISM) de la JAXA/NASA, Athena combinará un gran telescopio de rayos X con instrumentos científicos de vanguardia para arrojar nueva luz sobre el universo energético y caliente.

Notas para los editores

El artículo “Measuring bulk flows of the intracluster medium in the Perseus and Coma galaxy clusters using XMM-Newton”, de J. S. Sanders et al., está publicado en Astronomy & Astrophysics.

El estudio emplea observaciones en rayos X de la Cámara Europea de Imágenes de Fotones (EPIC) de XMM-Newton y datos del satélite Hitomi de la JAXA como elementos de calibración y para la comparación.

Para más información:

Jeremy Sanders
Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching, Germany
Correo electrónico: jsanders@mpe.mpg.de

Ciro Pinto
European Space Agency
European Space Research and Technology Centre
Noordwijk, The Netherlands
Institute of Space Astrophysics and Cosmic Physics (IASF)
National Institute for Astrophysics (INAF)
Palermo, Italy
Correo electrónico: ciro.pinto@inaf.it
 
Norbert Schartel
XMM-Newton project scientist
European Space Agency
Correo electrónico: norbert.schartel@esa.int