Przejdź do treści

Czy gaz w gromadach galaktyk przepływa jak miód?

img

Każdy z nas widział skomplikowane wzory, jakie tworzy mleko wlewane do kawy, lub te znacznie gładsze, które wytwarza miód mieszany łyżeczką. Który z tych przypadków najlepiej opisuje zachowanie gorącego gazu w gromadach galaktyk? Odpowiadając na to pytanie, nowe badanie z wykorzystaniem obserwatorium rentgenowskiego Chandra pogłębiło wiedzę astronomów na temat gromad galaktyk, największych struktur we Wszechświecie utrzymywanych razem dzięki grawitacji.

Gromady galaktyk składają się z trzech głównych elementów: pojedynczych galaktyk, gazu o temperaturze wielu milionów stopni wypełniającego przestrzeń między galaktykami oraz ciemnej materii, tajemniczej formy materii, która rozprzestrzenia się w gromadzie i odpowiada za około 80% jej masy.

Zespół astronomów wykorzystał długotrwałe obserwacje Chandra, w sumie z około dwóch tygodni, gromady galaktyk Coma (Warkocz), aby zbadać właściwości gazu w skalach przestrzennych porównywalnych z  typową odległością, na jakiej poruszają się cząsteczki między zderzeniami. Pomiary te pomogły im dowiedzieć się o lepkości – technicznym określeniu odporności na ruchy brył gazu względem siebie – gorącego gazu w Warkoczu.

„Nasze odkrycie sugeruje, że lepkość gazu w Warkoczu jest niższa, niż oczekiwano. Oznacza to, że turbulencje łatwo mogą być rozwijane w gorącym gazie w gromadach galaktyk na małych skalach” – powiedziała Irina Zhuravleva z University of Chicago, która prowadziła badania.

Gorący gaz w Warkoczu emituje promieniowanie rentgenowskie, które było obserwowane przez Chandra. Wiadomo, że gaz ma masę około sześć razy większą, niż wszystkie galaktyki w gromadzie razem wzięte. Pomimo swojej obfitości, gęstość gorącego gazu w Warkoczu, którą wykazały obserwacje radiowe, jest przesiąknięta słabym polem magnetycznym i tak niska, że cząsteczki nie oddziałują ze sobą bardzo często. Tak gorącego gazu o niskiej gęstości nie można badać w laboratorium na Ziemi, więc naukowcy muszą polegać na laboratoriach kosmicznych, takich jak laboratoria dostarczane przez międzygalaktyczny gaz w Warkoczu. 

„Wykorzystaliśmy Chandra do zbadania, czy gęstość gazu jest gładka w najmniejszych skalach, które możemy wykryć. Odkryliśmy, że tak nie jest, co sugeruje, że turbulencje występują nawet na tych stosunkowo małych skalach, a lepkość jest niska” – powiedział Eugene Churazov, współautor z Instytutu Maxa Plancka w Garching i Instytutu Badań Kosmicznych w Moskwie.

Aby osiągnąć te wnioski, zespół skoncentrował się na regionie oddalonym od centrum Gromady Warkocza, gdzie gęstość gorącego gazu jest nawet niższa, niż w centrum. Tutaj cząsteczki muszą podróżować na większe odległości – średnio ok. 100 000 lat świetlnych – aby oddziaływać z innymi cząsteczkami. Odległość ta jest wystarczająco duża, aby można ją było zbadać przy użyciu Chandra.

„Być może jednym z najbardziej zaskakujących aspektów jest to, że byliśmy w stanie zbadać fizykę na skalach istotnych dla interakcji między cząsteczkami atomowymi w obiekcie oddalonym o 320 mln lat świetlnych. Takie obserwacje dają wielkie okazje do wykorzystania gromad galaktyk jako laboratoriów do badania podstawowych właściwości gorącego gazu” – powiedział współautor Alexander Schekochihin z Uniwersytetu Oksfordzkiego w Wielkiej Brytanii.

Dlaczego lepkość gorącego gazu Warkocza jest tak niska? Jednym z wyjaśnień jest obecność drobnych nieregularności w polu magnetycznym gromady. Te nieregularności mogą odchylać cząsteczki w gorącym gazie, który składa się z naładowanych elektrycznie cząsteczek, głównie elektronów i protonów. Odchylenia te zmniejszają odległość, na jaką cząsteczka może się swobodnie poruszać, a co za tym idzie, lepkość gazu.

Znajomość lepkości gazu w gromadzie galaktyk i tego, jak łatwo rozwija się turbulencja, pomaga naukowcom zrozumieć wpływ ważnych zjawisk, takich jak zderzenia i połączenia z innymi gromadami galaktyk i grupami galaktyk. Turbulencje generowane przez te potężne zdarzenia mogą działać jako źródło ciepła, zapobiegając chłodzeniu gorącego gazu w gromadach, tworząc miliardy nowych gwiazd.

Do tego badania naukowcy wybrali gromadę Warkocza, ponieważ ma ona najlepszą kombinację wymaganych właściwości fizycznych. Średnia odległość między zderzeniami cząsteczek jest większa dla gazu o wyższych temperaturach i niższych gęstościach. Gromada Warkocza jest gorętsza od innych najjaśniejszych gromad galaktyk w pobliżu i ma stosunkowo niską gęstość, w przeciwieństwie do chłodnych i gęstych jąder innych jasnych gromad galaktyk, w tym Perseusza i Panny. Daje to astronomom szansę wykorzystania gromady Warkocza jako laboratorium do badania fizyki plazmy.

Przyszłe bezpośrednie pomiary prędkości ruchów gazu za pomocą misji X-ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM), dostarczą więcej szczegółów na temat dynamiki gromady, pozwalając naukowcom na przeprowadzenie solidnych badań wielu pobliskich gromad galaktyk.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Does the Gas in Galaxy Clusters Flow Like Honey?

Suppressed effective viscosity in the bulk intergalactic plasma

Źródło: Chandra

Na zdjęciu: Gromada galaktyk Coma (Warkocz) obserwowana przez Obserwatorium Rentgenowskie Chandra. Źródło: X: NASA/CXC/Univ. of Chicago, I. Zhuravleva i inni, Optyczne: SDSS