Un’enorme onda nell’ammasso di Perseo

Combinando i dati ottenuti dall’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA con osservazioni radio e simulazioni al computer, un team internazionale ha scoperto un’enorme ondata di gas caldo nel vicino ammasso di galassie di Perseo. Dalle dimensioni di circa 200.000 anni luce, l’onda ha un’estensione di praticamente il doppio della nostra galassia, la Via Lattea.

Secondo i ricercatori, l’onda si è formata miliardi di anni fa, dopo che un piccolo ammasso di galassie ha “pascolato” ai bordi del Perseo causando un’immissione di gas che ha rimescolato un enorme volume di spazio.

«Quello del Perseo è uno degli ammassi vicini più massicci, ed è anche quello più luminoso nei raggi X, perciò grazie ai dati di  Chandra possiamo avere dettagli senza pari», spiega Stephen Walker, del Goddard Space Flight Center  della NASA (Greenbelt, Maryland). «L’onda che abbiamo identificato è da associare al passaggio ravvicinato di un ammasso più piccolo, e mostra che l’attività di fusione che ha prodotto queste gigantesche strutture è ancora in corso».

Lo studio è stato pubblicato nel numero di giugno 2017 della rivista Monthly Notices della Royal Astronomical Society ed è disponibile online.

Gli ammassi di galassie sono le strutture legate dalla gravità più grandi che conosciamo nell’universo di oggi. Largo 11 milioni di anni luce e a circa 240 milioni di anni luce da noi, l’ammasso del Perseo prende nome dalla costellazione in cui, prospetticamente, si trova. Come tutti gli ammassi di galassie, la maggior parte della sua materia osservabile assume la forma di un gas diffuso dalla temperatura, in media, di decine di milioni di gradi… così caldo che brilla solo nei raggi X.

Le osservazioni di Chandra hanno rivelato una grande varietà di strutture, dalle enormi bolle “soffiate” dal buco nero supermassico che si trova nel nucleo della galassia centrale, NGC 1275, a una enigmatica struttura concava chiamata “baia”.

È risultato subito evidente che la baia non poteva essersi formata con le classiche bolle originate dall’attività del buco nero. Al contrario di ciò che ci si aspetterebbe infatti, osservazioni radio dal Karl G. Jansky Very Large Array (New Mexico)  hanno mostrato che questa formazione non produce emissione. Inoltre, i modelli standard di dinamica dei fluidi producono strutture che, se mai, si curvano nella direzione opposta.

Grazie invece alle Osservazioni Chandra, Walker e colleghi hanno potuto indagare più a fondo, potendo contare su un totale di 10,4 giorni di dati ad alta risoluzione e 5,8 giorni di osservazioni a largo campo a energie tra 700 e 7.000 elettronvolt (per confronto, la luce visibile ha energie tra circa i due e i tre elettronvolt). Dopo aver combinato le osservazioni, i ricercatori hanno poi filtrato l’immagine ottenuta per evidenziare i bordi delle strutture e rivelare i dettagli più sottili.

Successivamente, hanno confrontato l’immagine dell’ammasso così elaborata con le simulazioni al computer di fusione di ammassi di galassie, sviluppate da John ZuHone, astrofisico presso l’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (Cambridge, Massachusetts).

«Le fusioni di ammassi di galassie rappresentano l’ultima fase nella formazione delle strutture del cosmo», spiega  ZuHone. «Le simulazioni idrodinamiche di queste fusioni ci permettono di riprodurre le caratteristiche del gas caldo e regolare diversi parametri fisici, tra i quali il campo magnetico. Possiamo quindi poi confrontare le caratteristiche ottenute con quello che effettivamente osserviamo nei raggi X».

Una simulazione in particolare sembrava spiegare la formazione della baia. Nella simulazione il gas di un grosso ammasso simile a Perseo, si è assestato in due componenti: una regione centrale “fredda”, con temperature intorno ai 54 milioni di gradi Fahrenheit (30 milioni di Celsius), e una zona circostante dove il gas era tre volte più caldo. Poi è stato fatto passare, a circa 650 mila anni luce dal centro dell’ammasso, un secondo piccolo ammasso di galassie, contenente circa mille volte la massa della Via Lattea.

Il passaggio ravvicinato ha così creato un disturbo gravitazionale che ha fatto mescolare il gas come la crema mescolata in un caffè, creando una spirale in espansione di gas freddo. Dopo circa 2,5 miliardi di anni, quando il gas è arrivato a circa 500 mila anni luce dal centro, si sono effettivamente formate delle grandi onde che hanno “rotolato” alla periferia dell’ammasso per centinaia di milioni di anni prima di dissiparsi.

Le onde individuate sono versioni giganti delle cosidette onde Kelvin-Helmholtz, che si presentano ovunque ci sia una differenza di velocità nell’interazione tra due fluidi, come il vento che soffia sull’acqua. Possono essere viste nell’oceano, nelle formazioni nuvolose sulla Terra o in altri pianeti, nel plasma vicino alla Terra e anche nel Sole.

«La caratteristica forma a baia che vediamo in Perseo, è parte di un’onda Kelvin-Helmholtz, forse la più grande identificata, che si è formata in modo simile a quanto dimostra la simulazione», spiega Walker. «Abbiamo identificato caratteristiche simili anche in altri due ammassi di galassie, Centaurus e Abell 1795».

Lo studio mostra anche che le dimensioni delle onde corrispondono all’intensità del campo magnetico dell’ammasso. Se è troppo debole, le onde raggiungono dimensioni molto più grandi di quelle osservate, se troppo intenso non si formano proprio. Si tratta quindi anche di un modo per determinare il campo magnetico medio dell’intero volume dell’ammasso, una misura altrimenti impossibile con qualsiasi altro mezzo.

Qui di seguito, in un video, l’intera simulazione che  mostra come i gas più freddi, al passaggio di un più piccolo ammasso di galassie nelle periferie, formano un’enorme spirale che da vita a gigantesche onde che resistono poi per centinaia di milioni di anni. Un evento del genere sembra possa accadere, a un ammasso come il Perseo, ogni tre o quattro milioni di anni.

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