Los cúmulos de galaxias son las mayores estructuras gravitatorias del universo. Como tales, son potentes rastreadores de las estructuras de la materia a las mayores escalas, lo que nos permite medir las propiedades del propio universo. Además, son fascinantes laboratorios cosmológicos para comprender la interacción de las galaxias, la gravedad, los plasmas, los núcleos galácticos activos, los agujeros negros supermasivos y la formación de estrellas.
Imagen óptica del cúmulo MACS1206, con contornos de rayos X (N. Clerc, J. Ridl). Los datos ópticos se obtuvieron con el instrumento WFI en el telescopio MPI/ESO 2.2m, mientras que los datos de rayos X proceden de XMM-Newton. 
Los cúmulos de galaxias están dominados por la materia oscura, que constituye alrededor del 85 por ciento de la masa total. La materia oscura sólo puede detectarse por su efecto gravitatorio sobre otra materia y la luz que pasa cerca de ella. La mayor parte de la materia normal que emite luz se encuentra en forma de plasma caliente (un gas tan caliente que los electrones y los núcleos no permanecen unidos), el medio intracúmulo (MCI). Los cúmulos contienen entre 10 y 1.000 galaxias, que sólo representan alrededor del 2% de su masa total. Los cúmulos de galaxias cubren un rango de masa, siendo el extremo de menor masa el que se conoce como grupos de galaxias.
El ICM está caliente debido al pozo potencial masivo de los cúmulos de galaxias. La energía potencial gravitacional del material que cae en el cúmulo conduce a un calentamiento por choque del gas a decenas de millones de °C. Debido al tamaño de los cúmulos, este material es muy tenue, con sólo aproximadamente entre 10 y 10000 partículas en cada metro cúbico de cúmulo. La densidad aumenta hacia el centro del cúmulo. El ICM emite fuertemente rayos X debido a su alta temperatura a través del proceso de emisión Bremsstrahlung, que emite con un brillo proporcional a la densidad del ICM al cuadrado.
En el Grupo de Alta Energía (HE) estudiamos principalmente los cúmulos por su emisión de rayos X, que es uno de los métodos más robustos para encontrar cúmulos y examinar sus propiedades. La información de otras bandas de ondas también proporciona potentes métodos independientes para encontrar cúmulos y verificar sus propiedades. Esto incluye el estudio del número de galaxias y su velocidad, ya que en los cúmulos más masivos hay más galaxias y éstas se mueven más rápido debido al campo gravitatorio. Los cúmulos también afectan a la luz del fondo cósmico de microondas que viaja a través del cúmulo mediante un proceso denominado efecto Sunyaev-Zel’dovich (SZ), en el que la frecuencia de la luz se modifica al pasar por el cúmulo. Otro método consiste en examinar el efecto que tiene un cúmulo sobre la luz de las galaxias que se encuentran detrás del mismo. La gran masa del cúmulo de galaxias desvía la luz que pasa a través del cúmulo mediante un proceso llamado «lente gravitacional». Dependiendo de la cercanía de la luz a la masa, este efecto puede ser fuerte, dando arcos de luz característicos, o débil, donde las formas de muchas galaxias están ligeramente distorsionadas.
Cosmología usando cúmulos de galaxias
Las propiedades básicas del universo afectan a cómo se forman y crecen los cúmulos a lo largo de su vida. Estas propiedades incluyen la velocidad de expansión del universo (H0), la fracción del universo que es materia normal y no oscura (Ωm), la fuerza de una misteriosa fuerza repelente conocida como energía oscura (ΩΛ) y la fuerza del crecimiento de las fluctuaciones (σ8). Por tanto, podemos medir las propiedades del universo (hacer cosmología) estudiando los cúmulos.
Número de cúmulos en función del corrimiento al rojo y de la masa que se prevé detectar con eROSITA (Merloni et al.) 
La principal forma de hacerlo es contar cuántos cúmulos hay de una determinada masa en función de la distancia a nosotros. A medida que miramos más lejos con los telescopios también estamos mirando al pasado del universo, ya que la luz tarda en llegar a nosotros. Por lo tanto, al contar los cúmulos con rangos particulares de masa y al observar cómo conforman la estructura tridimensional a gran escala, estudiamos cómo los cúmulos crecen y evolucionan a lo largo de la vida del universo.
El grupo HE del MPE está asumiendo un papel de liderazgo en la construcción del instrumento eROSITA en el satélite ruso Spectrum-Roentgen-Gamma» (SRG), cuyo lanzamiento está previsto para 2016. Realizará varios sondeos del cielo en la banda de rayos X, lo que permitirá descubrir entre 50 y 100 mil cúmulos de galaxias, además de muchos otros objetos astronómicos. Grandes estudios espectroscópicos y de imágenes complementarán las observaciones de rayos X. Los análisis de la luz óptica emitida por las 100-1000 galaxias que albergan complementarán el sondeo evaluando la distancia de los objetos y la época en la que se observan. Utilizaremos esta gran muestra de cúmulos para producir restricciones estrictas sobre las propiedades cosmológicas del universo.
Atrofísica de cúmulos de galaxias
Filamentos de gas despojado en el cúmulo Coma vistos en rayos X (rosa) (Sanders et al. 2013). 
Muchos procesos físicos son importantes en los cúmulos de galaxias. Se cree que la física de la materia oscura se entiende bien, aunque la materia oscura no pueda verse directamente. Sin embargo, la física del gas y de los plasmas en los cúmulos es poco conocida. Por ejemplo, en el centro de los cúmulos suele haber un agujero negro supermasivo activo, o núcleo galáctico activo (AGN). Se cree que estos AGN son los responsables de impedir el rápido enfriamiento del ICM en el centro del cúmulo. El proceso de acreción de materia por parte del agujero negro da lugar a chorros de material altamente energéticos que se introducen en el ICM, inflando burbujas gigantes de material y calentando el gas circundante. Esto se denomina retroalimentación del AGN, pero muchos de los procesos que tienen lugar aún no se comprenden. Además, se cree que el ICM es turbulento. El grado de turbulencia que existe y el efecto que tiene en el cúmulo se conocen muy poco. Otra física interesante de estudiar es el enriquecimiento del MCI con «metales» (elementos pesados, como el oxígeno, el hierro o el silicio) producidos por las estrellas. El cúmulo actúa como un depósito de los metales producidos por las estrellas a lo largo de su vida.
El estudio de la astrofísica de los cúmulos no sólo es importante por sí mismo. Los procesos físicos que observamos en los cúmulos también afectan a su capacidad para ser utilizados como sondas de la cosmología. La retroalimentación del AGN, por ejemplo, afecta a la temperatura general del ICM y al brillo de los rayos X del cúmulo, dos de los principales métodos para medir la masa del cúmulo. La física de los cúmulos también puede afectar a nuestra capacidad para encontrarlos.