Een Nederlands-Italiaans-Duits team van sterrenkundigen, onder wie Hiroki Akamatsu (SRON), heeft een enorme gloed van radiostraling waargenomen rond een cluster van duizenden sterrenstelsels. Ze bundelden de gegevens van duizenden LOFAR-antennes die achttien nachten waren gericht op een gebied ter grootte van vier volle manen. Het is voor het eerst dat sterrenkundigen zo lang en zo gedetailleerd van zo’n groot gebied radiostraling konden opvangen. Ze publiceren hun bevindingen op 2 november in het vakblad Science Advances. 

De sterrenkundigen bestudeerden Abell 2255. Dat is een cluster van duizenden sterrenstelsels op ongeveer een miljard lichtjaar van de aarde in de richting van het sterrenbeeld Draak. De nieuwe beelden zijn 25 keer scherper en hebben zestig keer minder ruis dan beelden die met een voorloper van LOFAR waren gemaakt. Het team moest nieuwe technieken ontwikkelen om de grote hoeveelheid gegevens te verwerken.

Clusters van sterrenstelsels zijn de ‘dichtstbevolkte’ gebieden van het heelal. Ze bestaan uit honderden tot duizenden sterrenstelsels. Tussen de sterrenstelsels bevinden zich ijl gas van hoog-energetische deeltjes en magnetische velden. Er is weinig bekend over de herkomst van dit gas en hoe de deeltjes en de magnetische velden elkaar beïnvloeden.

‘Op basis van de nieuwe beelden en onze berekeningen, denken we dat de radiostraling bij Abell 2255 al is vrijgekomen tijdens het ontstaan van het cluster,’ zegt leider van het onderzoek Andrea Botteon (Universiteit Leiden en Università di Bologna / INAF, Italië). Hij voegt toe dat het de eerste keer is dat ze deze processen ver van het centrum van het cluster konden bestuderen. ‘In onze theorie gaan we ervan uit dat de deeltjes versnellen door de enorme turbulentie en schokken tijdens de vorming van het cluster. De bewegingen kunnen op hun beurt dan weer de magnetische velden versterken.’

In de toekomst willen de onderzoekers de LOFAR-telescopen en nog te bouwen telescopen zoals de Square Kilometer Array langere tijd richten op andere clusters van sterrenstelsels. Daarnaast willen ze gedetailleerder naar Abell 2255 kijken. Ze hopen dan bijvoorbeeld meer te weten te komen over het zogeheten kosmische web dat clusters van sterrenstelsels met elkaar verbindt.

Wetenschappelijk artikel

‘Magnetic fields and relativistic electrons fill entire galaxy cluster’, Andrea Botteon et al., Science Advances, 2 november 2022.

Beeld

Samengestelde afbeelding van het cluster van sterrenstelsels Abell 2255. Blauw zijn röntgengegevens van ROSAT. Die gaan over het hete gas tussen de sterrenstelsels. Geel en paars zijn radiogegevens van LOFAR. De paarse gloed is radio-emissie die het hele cluster omhult. De gele strepen zijn snel bewegende deeltjes in de magneetvelden van het cluster. Het achtergrondbeeld is gemaakt met de SSDS. De afbeelding is zo’n 18 miljoen bij 18 miljoen lichtjaar groot. Vanaf de aarde bestrijkt het beeld ongeveer een hemelgebied ter grootte van vier volle manen. (c) ROSAT/LOFAR/SDSS/Botteon, et al.

LOFAR antennas unveil giant glow of radio emission surrounding cluster of galaxies

A Dutch-Italian-German team of astronomers, including Hiroki Akamatsu (SRON), has observed a huge glow of radio emission around a cluster of thousands of galaxies. They combined data from thousands of LOFAR antennas that were focused for 18 nights on an area the size of four full moons. This is the first time astronomers have been able to capture radio emission from such a large area for such a long time and in such detail. They publish their findings Wednesday night in the journal Science Advances.

The astronomers studied Abell 2255. That is a cluster of thousands of galaxies about a billion light years from Earth in the direction of the constellation of Draco. The new images are 25 times sharper and have 60 times less noise than images taken with a precursor of LOFAR. The team had to develop new techniques to process the large volume of data.

Clusters of galaxies are the most densely “populated” regions of the universe. They consist of hundreds to thousands of galaxies. Between the galaxies, there is rarefied gas of high-energy particles and magnetic fields. Little is known about the origin of this gas and how the particles and magnetic fields influence each other.

“Based on the new images and our calculations, we think that the radio emission from Abell 2255 has been generated during the formation of the cluster,” said research leader Andrea Botteon (Leiden University, the Netherlands and Università di Bologna / INAF, Italy). He adds that it is the first time that astronomers studied these processes very far away from the cluster center. “In our theory, we assume that the particles are accelerated by the enormous turbulence and shocks produced during the formation of the cluster. In turn, these motions can also amplify the magnetic fields.”

In the future, the researchers want to target the LOFAR telescopes and yet-to-be-built telescopes such as the Square Kilometer Array for longer periods of time at other clusters of galaxies. In addition, they intend to observe Abell 2255 in more detail. By doing so, they hope to learn more about the so-called cosmic web that interconnects clusters of galaxies.

Scientific publication

‘Magnetic fields and relativistic electrons fill entire galaxy cluster’, Andrea Botteon et al., Science Advances, 2 november 2022.

Image

Composite image of the galaxy cluster Abell 2255. Blue are X-ray data from ROSAT. These show hot gas between the galaxies. Yellow and purple are radio data from LOFAR. The purple glow is radio emission surrounding the entire cluster. The yellow streaks are fast-moving particles in the cluster’s magnetic fields. The background image was taken with the SSDS. The image is about 18 million by 18 million light years in size. From Earth, the image covers a region of the sky the size of four full moons. (c) ROSAT/LOFAR/SDSS/Botteon, et al.M