ESA:s XMM-Newton röntgenobservatorium har spanat in het gas som skvalpar runt i en galaxhop – ett aldrig tidigare skådat beteende som kan drivas av turbulenta fusionshändelser.

Galaxkluster är de största systemen i universum som är sammanbundna av gravitationen. De innehåller hundratals till tusentals galaxer och stora mängder het gas som kallas plasma, som når temperaturer på runt 50 miljoner grader och lyser starkt i röntgenstrålar.

Mycket lite är känt om hur denna plasma rör sig, men att utforska dess rörelser kan vara nyckeln till att förstå hur galaxhopar bildas, utvecklas och bete sig.

"Vi valde ut två i närheten, massiv, ljusa och väl observerade galaxhopar, Perseus och koma, och kartlade hur deras plasma rörde sig – om det rörde sig mot eller bort från oss, dess hastighet, och så vidare - för första gången, " säger Jeremy Sanders från Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics i Garching, Tyskland, och huvudförfattare till den nya studien.

"Vi gjorde detta över stora delar av himlen:ett område som är ungefär lika stort som två fullmånar för Perseus, och fyra för Coma. Vi behövde verkligen XMM-Newton för detta, eftersom det skulle vara extremt svårt att täcka så stora områden med någon annan rymdfarkost."

Jeremy och kollegor hittade direkta tecken på plasmaflöde, plaskar och skvalpar runt i Perseus galaxhop – ett av de mest massiva kända objekten i universum, och det ljusaste klustret på himlen när det gäller röntgenstrålar. Även om denna typ av rörelse har förutspåtts teoretiskt, det hade aldrig tidigare setts i kosmos.

Genom att titta på simuleringar av hur plasman rörde sig inom klustret, forskarna undersökte sedan vad som orsakade skräpet. De fann att det var troligt på grund av att mindre subkluster av galaxer kolliderar och smälter samman med själva huvudklustret. Dessa händelser är tillräckligt energiska för att störa Perseus gravitationsfält och kickstarta en svallande rörelse som kommer att pågå i många miljoner år innan den avgörs.

Till skillnad från Perseus, som kännetecknas av ett huvudkluster och flera mindre understrukturer, Coma-klustret innehöll ingen skvalpande plasma, och verkar istället vara ett massivt kluster som består av två stora subkluster som långsamt smälter samman.

"Coma innehåller två massiva centrala galaxer snarare än en klungas vanliga enda gigant, och olika regioner verkar innehålla material som rör sig olika, " säger Jeremy. "Detta indikerar att det finns flera strömmar av material inom Coma-klustret som ännu inte har samlats för att bilda en enda sammanhängande "klump", som vi ser hos Perseus."

Upptäckten möjliggjordes av en ny kalibreringsteknik tillämpad på XMM-Newtons European Photon Imaging Camera (EPIC). Den geniala metoden, som innebar brytning av två decennier av EPIC-data, förbättrade noggrannheten i kamerans hastighetsmätningar med en faktor på över 3,5, höjer XMM-Newtons kapacitet till en ny nivå.

"EPIC-kameran har en instrumentell bakgrundssignal - de så kallade "fluorescerande linjerna" som alltid finns närvarande i våra data, och kan ibland vara irriterande eftersom de vanligtvis inte är vad vi letar efter, " tillägger medförfattaren Ciro Pinto, en ESA-forskare vid European Space Research and Technology Centre i Noordwijk, Nederländerna, som nyligen flyttade till Italiens nationella institut för astrofysik.

"Vi bestämde oss för att använda dessa linjer, som är ett ständigt inslag, att jämföra och anpassa EPIC-data från de senaste 20 åren för att bättre avgöra hur kameran beter sig, och använde sedan detta för att korrigera för alla instrumentella variationer eller effekter."

Denna teknik gjorde det möjligt att kartlägga gasen i klustren mer exakt. Jeremy, Ciro och kollegor använde bakgrundslinjerna för att känna igen och ta bort individuella variationer mellan observationer, och eliminerade sedan alla subtilare instrumenteffekter som identifierats och flaggats upp av deras 20 år av EPIC datautvinning.

EPIC består av tre CCD-kameror utformade för att fånga både låg- och högenergiröntgenstrålar, och är en av en trio av avancerade instrument ombord på XMM-Newton.

Utforska den dynamiska röntgenhimlen sedan lanseringen 1999, XMM-Newton är den största vetenskapliga satellit som någonsin byggts i Europa, och bär några av de mest kraftfulla teleskopspeglarna som någonsin utvecklats.

"Denna kalibreringsteknik belyser nyfunna funktioner hos EPIC-kameran, säger Norbert Schartel, ESA XMM-Newton Project Scientist.

"Högenergiastrofysik innebär ofta att man jämför röntgendata på olika punkter i kosmos för allt från plasma till svarta hål, så förmågan att minimera instrumentella effekter är nyckeln. By using past XMM-Newton observations to refine future ones, the new technique may open up inspiring opportunities for new research and discovery."

These XMM-Newton observations will also remain unparalleled until the launch of ESA's Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics (Athena) in 2031. Whereas covering such large areas of sky will largely be beyond the capabilities of telescopes such as the upcoming JAXA/NASA X-ray Imaging and Spectroscopy Mission, or XRISM, Athena will combine a large X-ray telescope with state-of-the-art scientific instruments to shed new light on the hot, energetic universe.