Denna röntgenbild av den heta gasen i Perseus galaxhop togs från 16 dagars Chandra-observationer. Forskare filtrerade sedan uppgifterna på ett sätt som gjorde kanternas kontrast ljusare för att göra subtila detaljer mer uppenbara. En oval markerar platsen för en enorm våg som rullar genom gasen. Kredit:NASA:s Goddard Space Flight Center/Stephen Walker et al.
Kombinera data från NASA:s Chandra X-ray Observatory med radioobservationer och datorsimuleringar, ett internationellt team av forskare har upptäckt en enorm våg av het gas i den närliggande galaxhopen Perseus. Omkring 200, 000 ljusår, vågen är ungefär dubbelt så stor som vår egen Vintergatans galax.
Forskarna säger att vågen bildades för miljarder år sedan, efter att en liten galaxhop betade Perseus och fick dess enorma gastillförsel att skvalpa runt en enorm rymdvolym.
"Perseus är en av de mest massiva närliggande klustren och den ljusaste inom röntgenstrålar, så Chandra-data ger oss oöverträffade detaljer, " sa den ledande forskaren Stephen Walker vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Vågen vi har identifierat är associerad med förbiflygningen av ett mindre kluster, vilket visar att fusionsaktiviteten som producerade dessa jättestrukturer fortfarande pågår."
En artikel som beskriver resultaten visas i juninumret 2017 av tidskriften Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .
Galaxkluster är de största strukturerna bundna av gravitation i universum idag. Cirka 11 miljoner ljusår tvärs över och ligger cirka 240 miljoner ljusår bort, galaxhopen Perseus är uppkallad efter sin värdkonstellation. Som alla galaxhopar, det mesta av dess observerbara materia har formen av en genomträngande gas i genomsnitt tiotals miljoner grader, så varmt att det bara lyser på röntgen.
Chandra-observationer har avslöjat en mängd olika strukturer i denna gas, från stora bubblor som blåses av det supermassiva svarta hålet i klustrets centrala galax, NGC 1275, till en gåtfull konkav funktion som kallas "bukten".
Vikens konkava form kunde inte ha bildats genom bubblor som lanserats av det svarta hålet. Radioobservationer med Karl G. Jansky Very Large Array i centrala New Mexico visar att vikens struktur inte producerar några utsläpp, motsatsen till vad forskare förväntar sig för funktioner som är förknippade med svarta håls aktivitet. Dessutom, standardmodeller av svallande gas producerade vanligtvis strukturer som bågar i fel riktning.
Walker och hans kollegor vände sig till befintliga Chandra-observationer av Perseus-klustret för att ytterligare undersöka bukten. De kombinerade totalt 10,4 dagars högupplöst data med 5,8 dagars bredfältsobservationer vid energier mellan 700 och 7, 000 elektronvolt. För jämförelse, synligt ljus har energier mellan cirka två och tre elektronvolt. Forskarna filtrerade sedan Chandra-data för att markera kanterna på strukturer och avslöja subtila detaljer.
Nästa, de jämförde den kantförstärkta Perseus-bilden med datorsimuleringar av sammanslagna galaxhopar utvecklade av John ZuHone, en astrofysiker vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i Cambridge, Massachusetts. Simuleringarna kördes på Pleiades superdator som drivs av NASA Advanced Supercomputing Division vid Ames Research Center i Silicon Valley, Kalifornien. Även om han inte var involverad i denna studie, ZuHone samlade sina simuleringar i en onlinekatalog för att hjälpa astronomer att studera galaxhopar.
"Galaxklustersammanslagningar representerar det senaste stadiet av strukturbildning i kosmos, ", sa ZuHone. "Hydrodynamiska simuleringar av sammanslagna kluster tillåter oss att producera funktioner i het gas och ställa in fysiska parametrar, såsom magnetfältet. Sedan kan vi försöka matcha de detaljerade egenskaperna hos de strukturer vi observerar i röntgenstrålar."
Denna animation löses upp mellan två olika vyer av het gas i Perseus galaxhop. Den första är Chandras bästa vy av het gas i den centrala regionen av Perseus-klustret, där röd, grönt och blått indikerar lägre energi till högre energi röntgenstrålar, respektive. Den större bilden innehåller ytterligare data över ett bredare synfält. Den har bearbetats speciellt för att förbättra kontrasten på kanterna, avslöjar subtila strukturer i gasen. Vågen markeras av den uppåtgående kurvan nära botten, centrerad vid cirka 7-tiden. Kredit:NASA/CXC/SAO/E.Bulbul, et al. och NASA:s Goddard Space Flight Center/Stephen Walker et al.
En simulering tycktes förklara vikens bildande. I det, gas i ett stort kluster som liknar Perseus har satt sig i två komponenter, en "kall" central region med temperaturer runt 54 miljoner grader Fahrenheit (30 miljoner Celsius) och en omgivande zon där gasen är tre gånger varmare. Sedan går en liten galaxhop som innehåller ungefär tusen gånger Vintergatans massa runt den större hopen, saknar sitt centrum med cirka 650, 000 ljusår.
Förbiflygningen skapar en gravitationsstörning som driver upp gasen som grädde utrörd i kaffe, skapar en expanderande spiral av kall gas. Efter cirka 2,5 miljarder år, när gasen har stigit nästan 500, 000 ljusår från centrum, stora vågor bildas och rullar i dess periferi i hundratals miljoner år innan de skingras.
Dessa vågor är jätteversioner av Kelvin-Helmholtz vågor, som dyker upp varhelst det finns en hastighetsskillnad över gränssnittet mellan två vätskor, som vind som blåser över vatten. De kan hittas i havet, i molnformationer på jorden och andra planeter, i plasma nära jorden, och även på solen.
"Vi tror att bukten vi ser i Perseus är en del av en Kelvin-Helmholtz-våg, kanske den största som hittills identifierats, som bildades på ungefär samma sätt som simuleringen visar, ", sade Walker. "Vi har också identifierat liknande egenskaper i två andra galaxhopar, Centaurus och Abell 1795."
Forskarna fann också att storleken på vågorna motsvarar styrkan på klustrets magnetfält. Om den är för svag, vågorna når mycket större storlekar än de som observerats. Om för stark, de bildas inte alls. Denna studie gjorde det möjligt för astronomer att undersöka det genomsnittliga magnetfältet genom hela volymen av dessa kluster, en mätning som är omöjlig att göra på något annat sätt.
