Fossiele melkwegcluster zoals waargenomen door XMM-Newton. Klik om te vergroten
Sterrenstelsels beginnen klein, maar groeien in de loop van de tijd naarmate ze samensmelten met andere sterrenstelsels. Het enige dat overblijft is één groot sterrenstelsel, een fossiele groep genaamd, dat zich in een nog grotere halo van donkere materie bevindt. Astronomen zijn verbaasd over hoe deze fossiele groepen zich snel kunnen vormen - sommigen zouden dit tijdens de levensduur van het heelal niet moeten kunnen. Nieuwe waarnemingen van Chandra en ESA's XMM-Newton-observatoria hebben nieuwe aanwijzingen opgeleverd over hoe deze clusters instorten en vormen.
Door gebruik te maken van de hoge gevoeligheid van ESA's XMM-Newton en het scherpe zicht van NASA's Chandra X-Ray-ruimteobservatoria, hebben astronomen het gedrag van enorme clusters van fossiele sterrenstelsels bestudeerd, in een poging te achterhalen hoe ze de tijd vinden om zich te vormen.
Veel sterrenstelsels bevinden zich in groepen van sterrenstelsels, waar ze nauwe ontmoetingen met hun buren ervaren en via gravitatie interageren met de donkere materie - massa die de hele intergalactische ruimte doordringt maar niet direct zichtbaar is omdat deze geen straling uitzendt.
Deze interacties zorgen ervoor dat grote sterrenstelsels langzaam naar het centrum van de groep draaien, waar ze kunnen samensmelten tot één gigantisch centraal sterrenstelsel, dat geleidelijk al zijn buren opslokt.
Als dit proces voltooid is en er geen nieuwe sterrenstelsels in de groep vallen, is het resultaat een object dat een 'fossiele groep' wordt genoemd, waarin bijna alle sterren worden verzameld in een enkel gigantisch sterrenstelsel, dat zich in het centrum van een groep-halo van donkere materie. De aanwezigheid van deze halo kan worden afgeleid uit de aanwezigheid van uitgebreid heet gas, dat de zwaartekrachtpotentiaalbronnen van veel groepen vult en röntgenstralen uitzendt.
Een groep internationale astronomen bestudeerde de fysieke kenmerken van de meest massieve en heetste fossiele groep in detail, met als belangrijkste doel een puzzel op te lossen en de vorming van enorme fossielen te begrijpen. Sterker nog, volgens eenvoudige theoretische modellen hadden ze simpelweg niet kunnen ontstaan in de tijd die hen ter beschikking stond!
De onderzochte fossielengroep, ‘RX J1416.4 + 2315’ genaamd, wordt gedomineerd door een enkel elliptisch sterrenstelsel dat anderhalf miljoen miljoen lichtjaar van ons verwijderd is en 500.000 miljoen keer meer licht heeft dan de zon.
De XMM-Newton- en Chandra-röntgenobservaties, gecombineerd met optische en infraroodanalyses, onthulden dat de groep in een hete gashalo zit die zich uitstrekt over drie miljoen lichtjaar en wordt verwarmd tot een temperatuur van 50 miljoen graden, voornamelijk als gevolg van schokverwarming als een resultaat van zwaartekracht instorting.
Zo'n hoge temperatuur, ongeveer twee keer zo hoog als de eerder geschatte waarden, is meestal kenmerkend voor clusters van sterrenstelsels. Een ander interessant kenmerk van het hele clustersysteem is de grote massa, die meer dan 300 biljoen zonsmassa's bereikt. Slechts ongeveer twee procent ervan in de vorm van sterren in sterrenstelsels en 15 procent in de vorm van heet gas dat röntgenstralen uitzendt. De grootste bijdrage aan de massa van het systeem is de onzichtbare donkere materie, die de andere componenten gravitationeel bindt.
Volgens berekeningen zou een fossiele cluster zo groot als RX J1416.4 + 2315 niet de tijd hebben gehad om zich te vormen gedurende het hele tijdperk van het universum. Het belangrijkste proces bij de vorming van dergelijke fossiele groepen is het proces dat bekend staat als 'dynamische wrijving', waarbij een groot sterrenstelsel zijn orbitale energie verliest aan de omringende donkere materie. Dit proces is minder effectief wanneer sterrenstelsels sneller bewegen, wat ze doen in enorme ‘clusters’ van sterrenstelsels.
Dit stelt in principe een bovengrens aan de grootte en massa van fossiele groepen. De exacte limieten zijn echter nog onbekend, aangezien de geometrie en de massaverdeling van groepen kunnen verschillen van de veronderstellingen in eenvoudige theoretische modellen.
"Eenvoudige modellen om de dynamische wrijving te beschrijven, gaan ervan uit dat de samenvoegende sterrenstelsels langs cirkelvormige banen rond het centrum van de clustermassa bewegen", zegt Habib Khosroshahi van de Universiteit van Birmingham (VK), eerste auteur van de resultaten. "In plaats daarvan, als we aannemen dat sterrenstelsels asymmetrisch naar het midden van het zich ontwikkelende cluster vallen, zoals langs een filament, kan de dynamische wrijving en dus het clustervormingsproces op een kortere tijdschaal plaatsvinden", vervolgt hij. Een dergelijke hypothese wordt ondersteund door de zeer langgerekte röntgenstraling die we in RX J1416.4 + 2315 hebben waargenomen, om het idee van een ineenstorting langs een dominant filament te ondersteunen. ”
De optische helderheid van het centrale dominante sterrenstelsel in dit fossiel is vergelijkbaar met die van de helderste sterrenstelsels in grote clusters (‘BCG's’ genoemd). Dit impliceert volgens de astronomen dat dergelijke sterrenstelsels ontstaan zouden kunnen zijn in fossiele groepen waaromheen de cluster zich later opbouwt. Dit biedt een alternatief mechanisme voor de vorming van BCG's in vergelijking met de bestaande scenario's waarin BCG's zich vormen binnen clusters tijdens of na het instorten van de cluster.
"De studie van enorme fossiele groepen zoals RX J1416.4 + 2315 is belangrijk om ons begrip van de structuurvorming in het universum te testen", voegt Khosroshahi toe. "Er worden kosmologische simulaties uitgevoerd die proberen de eigenschappen die we waarnemen te reproduceren om te begrijpen hoe deze extreme systemen zich ontwikkelen", besluit hij.
Oorspronkelijke bron: ESA News Release
