Vi har sett invecklade mönster som mjölk ger i kaffe och mycket smidigare som honung gör när den rörs om med en sked. Vilket av dessa fall beskriver bäst beteendet hos den heta gasen i galaxhopar? Genom att svara på denna fråga, en ny studie med hjälp av NASA:s Chandra X-ray Observatory har fördjupat vår förståelse av galaxhopar, de största strukturerna i universum som hålls samman av gravitationen.

Galaxhopar består av tre huvudkomponenter:individuella galaxer, multimiljongraders gas som fyller utrymmet mellan galaxerna, och mörk materia, en mystisk form av materia som är spridd i ett kluster och står för cirka 80 procent av klustrets massa.

Ett team av astronomer använde en uppsättning långa Chandra-observationer, totalt cirka två veckors observation, av Coma-galaxklustret för att undersöka gasegenskaper på rumsliga skalor jämförbara med ett typiskt avstånd som partiklar färdas mellan kollisioner med varandra. Denna mätning hjälpte dem att lära sig om viskositeten - den tekniska termen för motståndet mot rörelse av gasklumpar i förhållande till varandra - hos den heta gasen i Coma.

"Vårt fynd tyder på att gasviskositeten i Coma är mycket lägre än förväntat, " sa Irina Zhuravleva från University of Chicago, som ledde studien. "Detta betyder att turbulens lätt kan utvecklas i den heta gasen i galaxhopar i liten skala, analogt med virvlande rörelser i en kaffemugg."

Den heta gasen i Coma lyser i röntgenljus som observerats av Chandra. Gasen är känd för att innehålla ungefär sex gånger mer massa än alla kombinerade galaxer i klustret. Trots sitt överflöd, tätheten av den heta gasen i Coma, som radioobservationer har visat genomsyras av ett svagt magnetfält, är så låg att partiklarna inte interagerar med varandra särskilt ofta. En sådan låg densitet, het gas kan inte studeras i ett laboratorium på jorden, och så forskare måste lita på kosmiska laboratorier som det som tillhandahålls av den intergalaktiska gasen i Coma.

"Vi använde Chandra för att undersöka om gasens densitet är jämn på de minsta skalor vi kan upptäcka, sa Eugene Churazov, en medförfattare från Max Planck Institute for Astrophysics i Garching och Space Research Institute i Moskva. "Vi upptäckte att det inte är vilket tyder på att turbulens är närvarande även på dessa relativt små skalor och att viskositeten är låg."

För att nå dessa slutsatser, teamet koncentrerade sig på en region bort från centrum av Coma Cluster där densiteten hos den heta gasen är ännu lägre än den är i mitten. Här, partiklarna måste färdas längre sträckor — cirka 100, 000 ljusår i genomsnitt — för att interagera med en annan partikel. Detta avstånd är tillräckligt stort för att kunna sonderas med Chandra.

"Kanske en av de mest överraskande aspekterna är att vi kunde studera fysik på skalor som är relevanta för interaktioner mellan atompartiklar i ett objekt som är 320 miljoner ljusår bort, " sa medförfattaren Alexander Schekochihin vid University of Oxford i Storbritannien. "Sådana observationer öppnar en stor möjlighet att använda galaxhopar som laboratorier för att studera grundläggande egenskaper hos het gas."

Varför är viskositeten hos Comas heta gas så låg? En förklaring är förekomsten av småskaliga oregelbundenheter i klustrets magnetfält. Dessa ojämnheter kan avleda partiklar i den heta gasen, som består av elektriskt laddade partiklar, mestadels elektroner, och protoner. Dessa avböjningar minskar avståndet en partikel kan röra sig fritt och, i förlängningen, gasens viskositet.

Kunskap om gasens viskositet i en galaxhop och hur lätt turbulens utvecklas hjälper forskare att förstå effekterna av viktiga fenomen som kollisioner och sammanslagningar med andra galaxhopar, och galaxgrupper. Turbulens som genereras av dessa kraftfulla händelser kan fungera som en värmekälla, hindrar den heta gasen i kluster från att svalna för att bilda miljarder nya stjärnor.

Forskarna valde Coma-klustret för denna studie eftersom det har den bästa kombinationen av fysiska egenskaper som krävs. Det genomsnittliga avståndet mellan partikelkollisioner är högre för gas med varmare temperaturer och lägre densiteter. Coma är varmare än andra ljusaste närliggande galaxhopar och har relativt låg densitet, till skillnad från svala och täta kärnor i andra ljusa galaxhopar inklusive Perseus och Jungfrun. Detta ger astronomer en chans att använda Coma-klustret som ett laboratorium för att studera plasmafysik.

Framtida direkta mätningar av hastigheter för gasrörelser med X-ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM), ett samarbetsuppdrag mellan den japanska prospekteringsbyrån och NASA, kommer att ge mer information om klusterdynamik, gör det möjligt för oss att göra robusta studier av många närliggande galaxhopar. XRISM förväntas lanseras i början av 2020-talet.

En artikel som beskrev detta resultat dök upp i numret av tidskriften den 17 juni Natur astronomi .