Vimos padrões intrincados que o leite faz no café e outros muito mais suaves que o mel faz quando mexido com uma colher. Qual desses casos descreve melhor o comportamento do gás quente em aglomerados de galáxias? Ao responder a esta pergunta, um novo estudo usando o Observatório de raios-X Chandra da NASA aprofundou nossa compreensão dos aglomerados de galáxias, as maiores estruturas do Universo mantidas juntas pela gravidade.

Os aglomerados de galáxias são compostos por três componentes principais:galáxias individuais, gás multimilionário que preenche o espaço entre as galáxias, e matéria escura, uma forma misteriosa de matéria que se espalha por um aglomerado e é responsável por cerca de 80% da massa do aglomerado.

Uma equipe de astrônomos usou um conjunto de longas observações do Chandra, totalizando cerca de duas semanas de observação, do aglomerado de galáxias Coma para sondar as propriedades do gás em escalas espaciais comparáveis ​​com uma distância típica que as partículas viajam entre as colisões entre si. Essa medição os ajudou a aprender sobre a viscosidade - o termo técnico para a resistência ao movimento de pedaços de gás em relação uns aos outros - do gás quente em Coma.

"Nossa descoberta sugere que a viscosidade do gás em Coma é muito menor do que o esperado, "disse Irina Zhuravleva, da Universidade de Chicago, quem conduziu o estudo. "Isso significa que a turbulência pode facilmente se desenvolver no gás quente em aglomerados de galáxias em pequenas escalas, análogo a movimentos giratórios em uma caneca de café. "

O gás quente em Coma brilha na luz de raios-X observada por Chandra. O gás é conhecido por conter cerca de seis vezes mais massa do que todas as galáxias combinadas no aglomerado. Apesar de sua abundância, a densidade do gás quente em Coma, que as observações de rádio mostraram que é permeado por um campo magnético fraco, é tão baixo que as partículas não interagem entre si com muita frequência. Uma densidade tão baixa, o gás quente não pode ser estudado em um laboratório na Terra, e, portanto, os cientistas devem contar com laboratórios cósmicos como o fornecido pelo gás intergaláctico em Coma.

"Usamos o Chandra para sondar se a densidade do gás é suave nas menores escalas que podemos detectar, "disse Eugene Churazov, um co-autor do Instituto Max Planck de Astrofísica em Garching e do Instituto de Pesquisa Espacial em Moscou. "Descobrimos que não é, sugerindo que a turbulência está presente mesmo nessas escalas relativamente pequenas e a viscosidade é baixa. "

Para chegar a essas conclusões, a equipe se concentrou em uma região longe do centro do Cluster Coma, onde a densidade do gás quente é ainda menor do que no centro. Aqui, as partículas têm que viajar distâncias mais longas - cerca de 100, 000 anos-luz em média - para interagir com outra partícula. Esta distância é grande o suficiente para ser sondada com Chandra.

"Talvez um dos aspectos mais surpreendentes é que fomos capazes de estudar física em escalas relevantes para as interações entre partículas atômicas em um objeto que está a 320 milhões de anos-luz de distância, "disse o co-autor Alexander Schekochihin, da Universidade de Oxford, no Reino Unido." Essas observações abrem uma grande oportunidade para usar aglomerados de galáxias como laboratórios para estudar as propriedades fundamentais do gás quente. "

Por que a viscosidade do gás quente de Coma é tão baixa? Uma explicação é a presença de irregularidades em pequena escala no campo magnético do aglomerado. Essas irregularidades podem desviar as partículas do gás quente, que é composto de partículas eletricamente carregadas, principalmente elétrons, e prótons. Essas deflexões reduzem a distância que uma partícula pode se mover livremente e, por extensão, a viscosidade do gás.

O conhecimento da viscosidade do gás em um aglomerado de galáxias e a facilidade com que a turbulência se desenvolve ajuda os cientistas a entender os efeitos de fenômenos importantes, como colisões e fusões com outros aglomerados de galáxias, e grupos de galáxias. A turbulência gerada por esses eventos poderosos pode atuar como uma fonte de calor, evitando que o gás quente nos aglomerados resfrie para formar bilhões de novas estrelas.

Os pesquisadores escolheram o cluster Coma para este estudo porque ele tem a melhor combinação de propriedades físicas necessárias. A distância média entre as colisões de partículas é maior para gases com temperaturas mais altas e densidades mais baixas. Coma é mais quente do que outros aglomerados de galáxias próximos mais brilhantes e tem densidade relativamente baixa, ao contrário de núcleos frios e densos de outros aglomerados de galáxias brilhantes, incluindo Perseu e Virgem. Isso dá aos astrônomos a chance de usar o aglomerado Coma como um laboratório para estudar a física do plasma.

Futuras medições diretas de velocidades de movimentos de gás com a Missão de Imagens e Espectroscopia de Raios-X (XRISM), uma missão colaborativa entre a Agência de Exploração Japonesa e a NASA, fornecerá mais detalhes sobre a dinâmica do cluster, permitindo-nos fazer estudos robustos de muitos aglomerados de galáxias próximos. Espera-se que o XRISM seja lançado no início de 2020.

Um artigo descrevendo esse resultado apareceu na edição de 17 de junho da revista. Astronomia da Natureza .