(Dutch follows English)

Hitomi finds unusually peaceful hot gas in Perseus cluster

 A close X-ray look at the Perseus cluster of galaxies revealed that the superheated, buoyant gas within the cluster is, in fact, a peaceful environment.  This stunning discovery came from the very first and only scientific observation of the lost Japanese satellite Hitomi. The discovery was published today in the scientific journal Nature.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. They span 6-30 million light years and are made of hundreds to thousands galaxies. The space among those galaxies is filled with a hot gas (1-10 million degrees centigrade).

Hitomi – a joint effort of the Japanese, American and European space agencies, with significant hardware contributions from SRON – was built to detect fine details in an X-ray spectrum, revealing the extreme temperatures, chemical composition and physical conditions in astronomical objects both in the near and far universe.  After a successful launch in February 2016, the satellite, whose instruments were efficiently providing extraordinary data, lost unexpectedly contact with Earth after about one month. Following an error in the attitude system, the satellite span out of control, losing its solar panels and with it the capability of recharging batteries.  

The nature of superheated gas
One of the planned quests for Hitomi was to determine the nature of the superheated gas that pervades the space among the galaxies within galaxy clusters. The Perseus cluster, in particular, is a cluster formed by thousands of galaxies. From previous observations made in the X-ray band, it was known that the hot gas is carved with loops, bubbles and ripples (see illustration). At the center of the cluster sits an active galaxy hosting a supermassive black hole. By virtue of its relativistic jets ejection, the black hole shaped in multiple epochs the surrounding medium forming giant cavities (several times larger than the central galaxy itself) within the hot gas.

“Using the unprecedented high-resolution spectroscopy of the calorimeter on board Hitomi, we expected to find a turbulent gas,” says SRON researcher Jelle de Plaa, co-author and member of the Hitomi science team. “But much to our surprise, the data showed beyond any doubt a quiet gas over a wide region, extending between 100 and 200 thousand light years.”

This unexpected result suggests that, despite this medium must frequently be disturbed by the central galaxy activity as well as gas sloshing and bulk motion, large scale turbulence is not that easy to produce or,  on the contrary, very easy to dissipate.  

Cosmological implications
“This first result has important cosmological implications,” says SRON researcher and co-author Elisa Costantini, also member of the Hitomi science team. “In particular, cosmologists will be reassured that clusters of galaxies, that can be detected up to large distances, can be used as standard candles for cosmological models. These models depend on the estimated mass of the cluster, which in turn is accurately measured only if the gas is not particularly turbulent.”

The Hitomi spectrum of the Perseus cluster is revolutionary in many other respects. It gives a precious insight into the gas dynamics, but also shows emission lines from rare elements, important to study the production of elements in the universe. On top of that it shows a richness of emission lines that will be used by atomic physicist to better understand the gas conditions in extreme-temperature environments. 

Successor
Motivated by these first stunning scientific results, ideas about a successor of Hitomi are now being discussed. This successor could be launched within five years. The next, approved, X-ray mission that will be able to perform this kind of observations will be Athena (ESA), scheduled for launch in 2028. This mission relies on Dutch technology for its detector and optics. Astronomers feel that this gap, waiting for new important discoveries in high energy astrophysics, is simply too big.  

Publication
The article ‘The quiescent intracluster medium in the core of the Perseus cluster’ has appeared in Nature today. Authors are: The Hitomi collaboration, Felix Aharonian, Hiroki Akamatsu, Fumie Akimot, Steven W. Allen, Naohisa Anabuki, Lorella Angelini, Keith Arnaud, Marc Audard, Hisamitsu Awaki, Magnus Axelsson, Aya Bamba, Marshall Bautz, Roger Blandford, Laura Brenneman, Gregory V. Brown, Esra Bulbul, Edward Cackett, Maria Chernyakova, Meng Chiao, Paolo Coppi, Elisa Costantini, Jelle de Plaa, Jan-Willem den Herder, Chris Done, Tadayasu Dotani, Ken Ebisawa, Megan Eckart, Teruaki Enoto, Yuichiro Ezoe, Andrew Fabian.

————————————

Laatste adem ruimtetelescoop blijkt doorbraak:
Hitomi neemt ‘vreedzaam’ heet gas waar in Perseus-cluster 

Röntgenwaarnemingen hebben onthuld dat het superhete gas in het Perseus-cluster in feite een heel vreedzame omgeving is. Deze verrassende ontdekking kwam voort uit de eerste en enige wetenschappelijke waarnemingen van de opgegeven Japanse ruimtetelescoop Hitomi. De ontdekking is  gepubliceerd in Nature.

Clusters van sterrenstelsels zijn de grootste door de zwaartekracht bijeengehouden structuren in het universum. Ze strekken zich uit over 6-30 miljoen lichtjaar en bestaan uit honderden tot duizenden sterrenstelsels. De stelsels zijn ingebed in een heet gas (1-10 miljoen graden Celsius).

Hitomi – een ruimtetelescoop van de Japanse, Amerikaanse en Europese ruimtevaartorganisaties, uitgerust met behoorlijk wat technologie van SRON – is ontwikkeld om uiterst nauwkeurige röntgenspectra te maken, waarin fijne details te zien zijn. Zo kunnen sterrenkundigen informatie verkrijgen over de extreme temperatuur, chemische samenstelling en natuurkundige eigenschappen van astronomische objecten in het nabije en verre heelal.  

Na de succesvolle lancering in februari 2016 verloor de satelliet, waarvan de wetenschappelijke instrumenten prima werkten, echter onverwacht contact met de aarde. Als gevolg van een fout in het standregelsysteem begon Hitomi om zijn as te tollen, waarbij de ruimtetelescoop zijn zonnepanelen kwijt raakte. De ruimtetelescoop verloor daarmee het vermogen om zijn accu’s op te laden.
 
Eigenschappen van het superhete gas
Een van de doelen van Hitomi was de eigenschappen te bepalen van het superhete gas dat te vinden is in de ruimte tussen de sterrenstelsel in clusters. Het Perseus-cluster is zo’n cluster, bestaand uit duizenden sterrenstelsels.  Uit eerdere röntgenwaarnemingen was al bekend dat zich in het hete gas lussen, bellen en rimpelingen bevinden (zie illustratie). 

In het centrum van het cluster bevindt zich een actief sterrenstelsel met een superzwaar zwart gat. Als gevolg van zijn ‘relativistische jets’, stromen van hoog-energetische deeltjes die zich met bijna de lichtsnelheid langs een loodrechte as van het zwarte gat af bewegen, heeft dit zwarte gat miljoenen jaren lang het omringende hete gas vormgegeven. Hierdoor zijn gigantische ‘bellen’ ontstaan die vele malen groter zijn dan het centrale sterrenstelsel zelf.
 
 “We hadden verwacht dat we met de hoge-resolutie spectroscopie van de temperatuurgevoelige detector (een calorimeter, red) van Hitomi turbulent gas zouden vinden,” zegt SRON-onderzoeker Jelle de Plaa,  co-auteur van het Nature-artikel en lid van het wetenschappelijke team van Hitomi. “Maar tot onze verrassing laten de gegevens overduidelijk zien dat het gaat om gas dat zich in een rustige, vreedzame toestand bevindt, en dat zich over een gebied van 100-200 lichtjaar uitstrekt.”
 
Deze onverwachte ontdekking suggereert dat – hoewel het medium vaak moet worden verstoord door de activiteit van het centrale zwarte gat, rondklotsend gas en grootschalige gastransporten – grootschalige turbulentie niet zo makkelijk ontstaat. De turbulentie die wel ontstaat zal dan ook vrij snel wegebben. 

Beeld van de kosmos
“Dit eerste resultaat heeft belangrijke implicaties voor ons beeld van de kosmos,” zegt SRON-onderzoeker Elisa Costantini, ook co-auteur en lid van het wetenschappelijke team van Hitomi. “Kosmologen kunnen er nu op vertrouwen dat clusters van sterrenstelsel, die van grote afstand kunnen worden waargenomen, als ijkpunten kunnen worden gebruikt in kosmologische modellen. Deze modellen leunen op de geschatte massa van een cluster, die alleen kan worden gemeten als het gas niet erg turbulent is.” 

Het Hitomi-spectrum van het Perseus-cluster is ook op andere fronten spectaculair. Het biedt een nieuwe kijk op de dynamiek van het gas en laat ook de emissielijnen van zeldzame chemische elementen zien, belangrijk voor het bestuderen van het ontstaan van elementen in het universum. Bovendien stelt de rijkdom aan emissielijnen astrofysici in staat om de eigenschappen te bestuderen van het gas in gebieden met extreme temperature. 

Opvolger
Door de goede eerste wetenschappelijke resultaten, worden nu al ideeën geopperd voor een opvolger van Hitomi. De opvolger kan binnen vijf jaar worden gelanceerd. De eerstvolgende geplande röntgenmissie die vergelijkbare waarnemingen kan doen is de Athena-missie (ESA), met een geplande lancering in 2028. Deze missie maakt gebruikt van Nederlandse technologie voor zijn detectoren en optisch systeem. Sterrenkundigen vinden de periode tussen Hitomi en Athena, wachtend op nieuwe doorbraken in de hoge-energieastrofysica, te lang. 

Publicatie
Het artikel The quiescent intracluster medium in the core of the Perseus cluster is vandaag verschenen in Nature. Auteurs: The Hitomi collaboration, Hiroki Akamatsu (SRON), Felix Aharonian, Fumie Akimot, Steven W. Allen, Naohisa Anabuki, Lorella Angelini, Keith Arnaud, Marc Audard, Hisamitsu Awaki, Magnus Axelsson, Aya Bamba, Marshall Bautz, Roger Blandford, Laura Brenneman, Gregory V. Brown, Esra Bulbul, Edward Cackett, Maria Chernyakova, Meng Chiao, Paolo Coppi, Elisa Costantini (SRON), Jelle de Plaa (SRON), Jan-Willem den Herder (SRON), Chris Done, Tadayasu Dotani, Ken Ebisawa, Megan Eckart, Teruaki Enoto, Yuichiro Ezoe, Andrew Fabian, e. a.