(English follows Dutch)

Astronomen hebben een model over hoe botsende clusters van sterrenstelsels de verschillende stadia van hun botsing doorlopen, waarbij ze steeds een nieuwe vorm aannemen. Een stompe vorm verandert in een scherpe kegel, die weer transformeert tot de vorm van een tong. Die eerste en die laatste zijn al vele malen waargenomen, maar de scherpe kegel ontbrak nog. Tot nu. Publicatie in Astronomy & Astrophysics op 7 december. 

De meeste sterrenstelsels wonen in clusters: groepen van honderden of zelfs duizenden sterrenstelsels. Tussen hen in zit veel ruimte, opgevuld door een heet gas dat we het intracluster medium (ICM) noemen. Sterrenstelsels kun je gewoon in zichtbaar licht zien, bijvoorbeeld met de Hubble-telescoop, maar het ICM is alleen waarneembaar met röntgentelescopen omdat het buitengewoon heet is—honderden miljoenen graden. Met slechts één deeltje per liter is het extreem ijl, maar omdat het zoveel ruimte inneemt draagt het nog steeds tienmaal meer massa bij aan een cluster dan zijn sterrenstelsels. De onmetelijkheid van de ruimte binnen een cluster wordt ook duidelijk tijdens een botsing met een naburig cluster. Sterrenstelsels zweven ongehinderd op ruime afstand langs elkaar heen, terwijl het ICM daadwerkelijk botst.

Astronomen hebben al veel stadia van botsingen gezien aan de nachtelijke hemel, waarbij het ICM verschillende gedaantes aanneemt. Alle waargenomen vormen hebben ofwel de contouren van een stompe vorm, zoals de beroemde Bullet Cluster, ofwel van een uitgestoken tong, zoals Abell 168. Die tong wordt beschouwd als een van de laatste fases van een botsing, die stomp als een van de eerste. Simulaties voorspellen dat de fase ertussenin de vorm moet hebben van een scherpe kegel, maar die is nog nooit waargenomen. Nu heeft een groep astronomen, onder wie eerste auteur Xiaoyuan Zhang (SRON/Leidse Sterrewacht), eindelijk het ontbrekende puzzelstukje gevonden. Het team vond de kegelvorm nadat ze de Chandra röntgentelescoop 55 uur op het cluster ZwCl 2341+0000 hadden gericht. Co-auteur Aurora Simionescu (SRON/Leidse Sterrewacht): ‘De scherpe kegel is een erg vluchtig verschijnsel. Het duurt maar kort, dus we zijn heel blij dat we hem te pakken hebben.’

Net als toen boeren vroeger informatie over het weer haalden uit de vorm van de wolken, bestuderen astronomen de vormen van botsende clusters om meer te leren over het universum. De Bullet Cluster is waarschijnlijk het beroemdste voorbeeld, omdat het wordt gezien als de smoking gun voor het bestaan van donkere materie. Het ICM van beide botsende clusters is vertraagd, waarbij één zijde een stompe of ‘bullet’ vorm laat zien. Dit is te zien in röntgenstraling (zie roze in afbeelding boven). De sterrenstelsels, zichtbaar in gewoon licht, zijn al een stuk verder weggevlogen van het centrum, omdat ze niet met elkaar botsen en slechts iets afremmen door de zwaartekracht. Het merendeel van de onzichtbare massa, in kaart gebracht via gravitational lensing van achtergrondobjecten, is ook grotendeels ongehinderd rechtdoor geschoten (zie blauw in afbeelding boven). Dit is een bewijsstuk voor de stelling dat deze onzichtbare massa inderdaad donkere materie is, en geen onderdeel van de ‘normale’ ICM-materie. De nieuwe observaties van ZwCl 2341+0000 geven ons een inkijkje in hoe de Bullet Cluster er over enkele honderden miljoenen jaren uitziet. 

Botsingen van clusters van sterrenstelsels doorlopen verschillende stadia, waarbij ze steeds een andere vorm aannemen. De ruwe versie van dit model bevat drie stadia: eerst een stompe vorm (zie Bullet Cluster), dan een scherpe kegel (zie ZwCl 2341+0000) en dan een tong-achtige vorm (zie Abell 168). Tot nu toe misten astronomen steeds het middelste puzzelstukje in hun observaties. Nu hebben ze dat gevonden met ZwCl 2341+0000. Linksboven (1E2216/1E2215) zie je twee clusters voorafgaand aan een botsing. Rechtsboven (Coma Cluster) zie je het eindresultaat van een botsing, waarbij er genoeg tijd is verstreken om helemaal samen te smelten. Dit zijn allemaal röntgenafbeeldingen die het intracluster medium (ICM) tonen. Het ICM is de materie die daadwerkelijk botst. De sterrenstelsels en de mogelijke donkere materie zweven ongehinderd rechtdoor, afgezien van een beetje zwaartekracht.

Headerfoto: Bullet Cluster. Credit: NASA/CXC/M. Weiss

Publicatie

X. Zhang, A. Simionescu, C. Stuardi, R. J. van Weeren, H. T. Intema, H. Akamatsu, J. de Plaa, J. S. Kaastra, A. Bonafede, M. Brüggen, J. ZuHone, and Y. Ichinohe, ‘Deep Chandra observations of merging galaxy cluster ZwCl 2341+0000’, Astronomy & Astrophysics

Astronomers find final missing piece of galaxy cluster collision puzzle

Astronomers have a model of how galaxy cluster collisions go through different stages, taking on various shapes. A blunt body shape turns into a sharp cone, which turns into a tongue-like shape. The first and last have been observed many times, but the sharp cone was always missing. Until now. Publication in Astronomy & Astrophysics.

Most galaxies live in clusters: groups of hundreds or even thousands of galaxies. In between them is lots of space, filled up by a hot gas called the intracluster medium (ICM). Galaxies can be observed in visible light, for example with Hubble, but the ICM is only observable with X-ray telescopes because it is extraordinarily hot—hundreds of millions of degrees Celcius. With only 1 particle per liter, it is extremely airy, but since it occupies so much space it still adds ten times more mass to a cluster than the galaxies inside. The vastness of space inside a cluster also becomes apparent during a collision with a neighboring cluster. Galaxies simply drift by each other unharmed, while the ICM actually collides.

Astronomers have seen many stages of collisions across the night sky. All observed shapes are either a blunt body, like the famous Bullet Cluster, or a tongue-like shape extending ahead, like Abell 168. The latter is suggested to be one of the final stages of a collision, the former one of the first. Simulations predict that the stage in between should be shaped like a sharp cone, but this has never been observed. Now a group of astronomers, including first author Xiaoyuan Zhang (SRON/Leiden Observatory), has finally found this last piece of the puzzle. The team found the cone after performing a deep observation of galaxy cluster ZwCl 2341+0000 by pointing the Chandra X-ray space telescope at it for 55 hours. Co-Author Aurora Simionescu (SRON/Leiden Observatory): ‘The sharp cone stage is very fleeting. It only last for a short time so we are excited that we were able to catch it.’

Just like when in the old days farmers used to gain information about the weather from cloud shapes, astronomers study shapes of cluster collisions to learn more about the Universe. The Bullet Cluster is probably the most famous example, as it is considered the smoking gun for the existence of dark matter. The ICM of both colliding clusters has slowed down, one side showing a blunt body or ‘bullet’ shape. This is visible in X-rays (see pink in header image). The galaxies, visible in regular light, are already much farther away from the collision center, as they don’t collide with each other and are only slightly slowed down by gravity. The majority of the invisible mass, mapped through gravitational lensing of background objects, has also moved along mostly unaffected (see blue in header image). This is evidence that this invisible mass is indeed dark matter, and not part of the ‘normal’ matter ICM. The new images of ZwCl 2341+0000 give us a sneak peak of how the Bullet Cluster might change its shape in a few hundred million years.

Botsingen van clusters van sterrenstelsels doorlopen verschillende stadia, waarbij ze steeds een andere vorm aannemen. De ruwe versie van dit model bevat drie stadia: eerst een stompe vorm (zie Bullet Cluster), dan een scherpe kegel (zie ZwCl 2341+0000) en dan een tong-achtige vorm (zie Abell 168). Tot nu toe misten astronomen steeds het middelste puzzelstukje in hun observaties. Nu hebben ze dat gevonden met ZwCl 2341+0000. Linksboven (1E2216/1E2215) zie je twee clusters voorafgaand aan een botsing. Rechtsboven (Coma Cluster) zie je het eindresultaat van een botsing, waarbij er genoeg tijd is verstreken om helemaal samen te smelten. Dit zijn allemaal röntgenafbeeldingen die het intracluster medium (ICM) tonen. Het ICM is de materie die daadwerkelijk botst. De sterrenstelsels en de mogelijke donkere materie zweven ongehinderd rechtdoor, afgezien van een beetje zwaartekracht.

Headerfoto: Bullet Cluster. Credit: NASA/CXC/M. Weiss

Publication

X. Zhang, A. Simionescu, C. Stuardi, R. J. van Weeren, H. T. Intema, H. Akamatsu, J. de Plaa, J. S. Kaastra, A. Bonafede, M. Brüggen, J. ZuHone, and Y. Ichinohe, ‘Deep Chandra observations of merging galaxy cluster ZwCl 2341+0000’, Astronomy & Astrophysics