Los cúmulos de galaxias crecen mediante fusiones que inyectan en el gas intergaláctico caliente (el medio intracumular) energías de hasta 10^64 erg. Parte de esa energía se convierte en turbulencia y corrientes de volumen, y otra parte en la aceleración de partículas relativistas y el refuerzo de los campos magnéticos. Sin embargo, medir directamente el campo de velocidades del gas era casi imposible: los detectores CCD de rayos X no distinguían la estructura fina de las líneas. Este trabajo se enmarca en la serie de estudios sobre la dinámica de los cúmulos a partir de las líneas de rayos X del hierro, pero se distingue por aplicar por primera vez un espectrómetro con calorímetro, el XRISM/Resolve, al núcleo más brillante de Coma, donde se esperan fuertes inhomogeneidades. Trabajos vecinos han estudiado las huellas del hierro en rayos X, la respiración de un cuásar, los vientos y los campos magnéticos en cúmulos, pero nadie había cartografiado los perfiles de línea con tanto detalle en el centro de un cúmulo en proceso de fusión.
Las observaciones se realizaron con el satélite japonés de rayos X XRISM durante su fase de verificación de prestaciones: dos apuntados de 3×3 minutos de arco, uno hacia el pico de rayos X (Center, con una exposición de 398 000 segundos) y otro 6 minutos de arco al sur (South, con un total de 158 000 segundos). El instrumento clave es el microcalorímetro Resolve, que mide la energía de cada fotón con una precisión de unos 4.5 eV (anchura total a mitad de máximo) a 6 keV, lo que permite resolver desplazamientos Doppler del orden de cientos de km/s. Los espectros en el rango de 2–10 keV se modelaron con emisión térmica de plasma bapec con una dispersión gaussiana de velocidades, y después se buscaron desviaciones respecto a una sola gaussiana. Para la búsqueda sistemática de componentes se aplicó un ajuste «a ciegas»: 51 componentes bapec, distribuidas en energía con un paso de 3 eV (algo menor que la resolución), con dispersión de velocidades nula y temperatura y abundancia ligadas. Para evaluar la significancia de los picos encontrados se generaron cientos de espectros sintéticos a partir de un modelo sin componentes adicionales y se observó con qué frecuencia las fluctuaciones aleatorias producen una señal semejante.
En el espectro del cuadrante noroeste del campo central, además del pico principal y de la ya conocida componente roja (Δcz ≈ −40 km/s), se descubrió una tercera componente azul en Δcz = −1274 ± 100 km/s. Su significancia según las simulaciones es de alrededor del 96%. El conjunto completo del campo central muestra una segunda componente en Δcz = −6 (+229/−151) km/s, significativa al nivel del 99% según las simulaciones, pero poco destacada por los criterios de información (AIC ligeramente a favor, BIC en contra). El ajuste a ciegas con paso de 3 eV reveló en el centro un pico azul en torno a cz ≈ 5850 km/s (Δcz ≈ −1150 km/s) con una probabilidad de falso descubrimiento del 3%, y en el campo sur un pico rojo en torno a cz ≈ 8250 km/s (Δcz ≈ +1250 km/s) con una probabilidad del 5%. Las componentes principales en velocidad coinciden con grupos de galaxias identificados ópticamente: el pico azul es cercano al grupo S5 (Δcz = −1131 km/s) y el pico rojo del campo sur al grupo S4 (Δcz = +982 km/s). La densidad de energía de la turbulencia (1.9–2.2 eV/cm³) y de los movimientos de volumen (hasta 8.5 eV/cm³) supera varias veces la energía del campo magnético (0.42–0.55 eV/cm³ con B ≈ 5 µG), y el tiempo de amortiguamiento de la turbulencia (0.14 mil millones de años con una escala de 85 kpc) es comparable al tiempo de enfriamiento sincrotrón de los electrones del halo de radio (0.25 mil millones de años).
El trabajo muestra por primera vez de forma directa que el perfil de la línea del hierro en el centro de un cúmulo en fusión no es gaussiano, sino que consta de varias componentes Doppler. Esto cambia el enfoque para medir velocidades: el ajuste estándar con una sola gaussiana sobreestima la dispersión de velocidades y enmascara los flujos reales. A diferencia de los trabajos vecinos, que estudiaban propiedades promedio del gas o gradientes a gran escala, aquí se ha alcanzado resolución a lo largo de la línea de visión dentro de un mismo campo de visión del instrumento, y se han detectado estructuras de decenas de kilopársecs. Se confirma la relación entre los flujos de rayos X y los grupos ópticos de galaxias, lo que ofrece una nueva herramienta para reconstruir la geometría de la fusión.
El siguiente paso serán observaciones más profundas de XRISM de esos mismos campos y de campos vecinos, para confirmar las componentes marginales y construir un mapa tridimensional de velocidades. Quizá se logre separar la contribución del ensanchamiento térmico y de la turbulencia usando líneas de distintos iones (por ejemplo, Fe Lyα). El análisis conjunto con observaciones de radio de LOFAR y con catálogos ópticos de grupos permitirá precisar cómo la energía de los movimientos de volumen se transforma en aceleración de partículas y campos magnéticos. El método de ajuste a ciegas con paso de 3 eV podrá aplicarse a otros cúmulos e incluso a remanentes galácticos de supernova.
Los resultados influirán en los estudios de las fusiones de cúmulos, del origen de los halos y relictes de radio, y en la calibración de los métodos de medida de masas de cúmulos a partir de espectros de rayos X. También son importantes para entender el calentamiento turbulento del gas y la generación de campos magnéticos en el plasma cósmico.
Realizar observaciones más prolongadas con XRISM del centro de Coma y del campo sur, y obtener además espectros desde otros ángulos de posición, para separar la rotación de los flujos radiales. Complementar el análisis con datos ópticos sobre las velocidades de las galaxias y con mapas de radio de alta resolución.
Para la astrofísica de cúmulos sigue sin resolverse la cuestión de cómo se reparte exactamente la energía de las fusiones entre calor, turbulencia, campo magnético y rayos cósmicos. Este trabajo ofrece por primera vez estimaciones directas de las densidades de energía de la turbulencia y de los movimientos de volumen en el núcleo de Coma, y muestra que el campo magnético está energéticamente subordinado a los movimientos del gas, lo que respalda el mecanismo de dinamo para su amplificación. También sigue abierta la cuestión de la naturaleza de los halos de radio: los resultados indican que la turbulencia puede sostenerlos durante mil millones de años, pero aún queda por esclarecer el mecanismo exacto de aceleración de los electrones.
El cúmulo de Coma contiene alrededor de 1000 galaxias, y su halo de rayos X se extiende a lo largo de millones de años luz. La temperatura del gas en el núcleo alcanza los 100 millones de kelvin, pero su densidad es tan baja que una cucharadita de esa materia pesaría menos que una milmillonésima parte de un gramo.
En la novela de Isaac Asimov «Los propios dioses» se describe la transferencia de energía entre universos paralelos, y en la realidad los cúmulos de galaxias transfieren energía desde el colapso gravitatorio hacia la turbulencia y los campos magnéticos. La idea de que los movimientos de un gas invisible pueden leerse en las finas líneas del espectro conecta con los métodos de los astrofísicos de «El problema de los tres cuerpos», de Liu Cixin.