Planck Constraints on Turbulence in the Coma Cluster
通过使用基于模拟的推断框架重新分析普朗克（Planck）日效应（Sunyaev-Zel'dovich）效应中后发座星系团（Coma cluster）的表面亮度涨落，本研究将星系团内介质的湍流约束为具有约 540 kpc 的大注入尺度、类柯尔莫哥洛夫（Kolmogorov-like）斜率以及 0.60 的显著三维马赫数，表明存在显著的非热压力支持，这与近期 XRISM 的速度测量结果一致。
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想象一下，宇宙中充满了巨大的、不可见的炽热气体气泡，这些气泡横跨数百万光年。这些就是星系团，是宇宙中由引力维系的最大的结构。在这些气泡内部，气体并非静止不动；它在不停地翻滚、旋转并相互碰撞，就像一个巨大的宇宙搅拌机。这种混沌的运动被称为湍流。就像风吹过森林或水流过岩石一样，这种湍流会产生压力。科学家们对此非常关注，因为如果他们忽略了这种由翻腾气体产生的“推力”，那么在试图称量整个星系团的重量时，就会得出错误的答案。这就像是通过观察一个人跳动的蹦床来猜测这个人的体重，却忘记了蹦床的弹簧也在向上推。如果你没有考虑到那个额外的推力，你就会认为这个人比实际要轻。
为了理解这种宇宙中的翻腾，天文学家通常通过两种方式来观察气体。一种方法是使用X射线望远镜去“聆听”气体的“歌声”，这些望远镜可以直接“听到”气体分子的速度。但这些望远镜一次只能听到歌曲中极小的一部分。另一种方法是观察气体压力如何在整个星系团中波动，就像观察投石入水后池塘上的涟漪一样。本文的研究重点在于第二种方法，使用的是由普朗克（Planck）卫星制作的一张特殊的宇宙地图。研究人员想要弄清楚引起这些涟漪的“石头”有多大、气体的运动速度有多快，以及星系团的总压力中有多少来自于这种狂野的湍流运动。
由巴蒂斯特·西加尔（Baptiste Sigal）领导的团队对果实星系团（Coma cluster）进行了全新的审视，这是一个巨大且距离较近的星系团，以其混乱的状态而闻名——有较小的星系群正向其撞击而来。他们没有仅仅靠猜测，而是使用了一种被称为“基于模拟的推断”（Simulation-Based Inference）的巧妙技巧。你可以把它想象成一个电子游戏，计算机生成了数百万个不同版本的果实星系团，每个版本都有不同的湍流程度、不同规模的旋涡风暴以及不同的运动速度。然后，计算机将这些虚构的地图与来自普朗克卫星的真实地图进行对比。它保留那些看起来最像真实情况的版本，并丢弃那些不符合要求的版本。
通过运行这项大规模的数字实验，作者发现果实星系团中的湍流是由巨大的事件驱动的。他们计算出，“注入尺度”（即最大的旋涡风暴的规模）约为540千秒差距（可能的范围在200到990千秒差距之间）。为了让你有个直观的概念，那是一个直径约170万光年的风暴系统。他们还发现，气体的运动速度在每秒357到1,095公里之间。这非常之快；一颗子弹的速度大约是每秒1公里，所以这些气体的运动速度是高速子弹的数百倍。
这项研究表明，这种狂野的运动提供了大量的额外压力，约占星系团总压力的17%。这意义重大，因为它证实了如果天文学家忽略这种湍流，他们会对星系团的质量产生明显的低估。研究结果与近期使用不同方法的其他研究高度一致，其中包括来自XRISM卫星的直接测量，这增加了人们对“果实星系团确实是一个非常湍流的场所”这一观点的信心。
然而，作者谨慎地指出，虽然他们对风暴的规模和气体的速度有了很好的掌握，但要精确确定湍流的“斜率”（即能量如何从大的旋涡传递到微小的涡流）仍然很困难。数据表明，这种湍流遵循一种类似于我们在地球上看到的空气或水的模式，但证据尚不足以确定这一点。论文总结道，虽然他们的方法对于这个巨大且混乱的星系团效果极佳，但观察更小或更遥远的星系团将需要未来望远镜更敏锐的“眼睛”。目前，他们已成功绘制了果实星系团那不可见的、翻腾的心脏，向我们展示了宇宙远比一张安静、静止的照片所呈现出的景象更加动态且充满能量。
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