Gli ammassi di galassie sono le più grandi strutture legate gravitazionalmente nell’universo. Come tali, sono potenti tracciatori delle strutture della materia sulle scale più grandi, permettendoci di misurare le proprietà dell’universo stesso. Inoltre, sono affascinanti laboratori cosmologici per la comprensione dell’interazione tra galassie, gravità, plasmi, nuclei galattici attivi, buchi neri supermassicci e formazione stellare.
Immagine ottica dell’ammasso MACS1206, con contorni di raggi X (N. Clerc, J. Ridl). I dati ottici sono stati ottenuti con lo strumento WFI sul telescopio MPI/ESO 2.2m, mentre i dati sui raggi X provengono da XMM-Newton. 
Gli ammassi galattici sono dominati dalla materia oscura, che costituisce circa l’85% della massa totale. La materia oscura può essere rilevata solo grazie al suo effetto di gravitazione su altra materia e sulla luce che le passa vicino. La maggior parte della normale materia che emette luce è sotto forma di un plasma caldo (un gas così caldo che gli elettroni e i nuclei non rimangono legati insieme), il mezzo intracluster (ICM). Gli ammassi contengono da 10 a 1000 galassie, che costituiscono solo circa il 2% della loro massa totale. Gli ammassi di galassie coprono una gamma di massa, con l’estremità di massa più bassa conosciuta come gruppi di galassie.
L’ICM è caldo a causa del massiccio pozzo potenziale degli ammassi di galassie. L’energia potenziale gravitazionale del materiale che cade nell’ammasso porta al riscaldamento d’urto del gas a decine di milioni di °C. A causa delle dimensioni degli ammassi, questo materiale è molto tenue, con solo approssimativamente tra 10 e 10000 particelle in ogni metro cubo di ammasso. La densità aumenta verso il centro dell’ammasso. L’ICM emette forti raggi X a causa della sua alta temperatura attraverso il processo di emissione di Bremsstrahlung, che emette con una luminosità proporzionale alla densità dell’ICM al quadrato.
Nel gruppo Alta Energia (HE) studiamo principalmente gli ammassi attraverso la loro emissione di raggi X, che è uno dei metodi più robusti per trovare gli ammassi ed esaminare le loro proprietà. Le informazioni da altre bande d’onda forniscono anche potenti metodi indipendenti per trovare gli ammassi e verificare le loro proprietà. Questo include lo studio del numero di galassie e della loro velocità, poiché negli ammassi più massicci ci sono più galassie e queste galassie si muovono più velocemente a causa del campo gravitazionale. Gli ammassi influenzano anche la luce del fondo cosmico a microonde che viaggia attraverso l’ammasso attraverso un processo chiamato effetto Sunyaev-Zel’dovich (SZ), dove la frequenza della luce viene modificata mentre passa attraverso l’ammasso. Un altro metodo è quello di esaminare l’effetto che un ammasso ha sulla luce delle galassie dietro l’ammasso. La grande massa dell’ammasso di galassie piega la luce che passa attraverso l’ammasso per un processo chiamato “lente gravitazionale”. A seconda di quanto la luce viaggia vicino alla massa, questo può essere un effetto forte, dando archi di luce caratteristici, o debole, dove le forme di molte galassie sono leggermente distorte.
Cosmologia usando gli ammassi di galassie
Le proprietà di base dell’universo influenzano il modo in cui gli ammassi si formano e crescono durante la loro vita. Queste proprietà includono la velocità di espansione dell’universo (H0), la frazione dell’universo che è materia normale e non oscura (Ωm), la forza di una misteriosa forza repellente conosciuta come energia oscura (ΩΛ) e la forza della crescita delle fluttuazioni (σ8). Quindi possiamo misurare le proprietà dell’universo (fare cosmologia) studiando gli ammassi.
Numero di ammassi in funzione del redshift e della massa che si prevede di rilevare con eROSITA (Merloni et al.) 
Il modo principale in cui questo può essere fatto è contare quanti ammassi ci sono di una particolare massa in funzione della distanza da noi. Man mano che guardiamo più lontano con i telescopi, stiamo anche guardando nel passato dell’universo, poiché la luce impiega tempo per raggiungerci. Perciò, contando gli ammassi con particolari gamme di massa e guardando come modellano la struttura a larga scala 3-d, studiamo come gli ammassi crescono ed evolvono nel corso della vita dell’universo.
Il gruppo HE al MPE sta assumendo un ruolo di primo piano nella costruzione dello strumento eROSITA sul satellite russo Spectrum-Roentgen-Gamma” (SRG), che sarà lanciato nel 2016. Farà diverse indagini del cielo nella banda dei raggi X, permettendo di scoprire da 50 a 100 mila ammassi di galassie, oltre a molti altri oggetti astronomici. Grandi indagini spettroscopiche e di imaging completeranno le osservazioni a raggi X. Le analisi della luce ottica emessa dalle 100-1000 galassie che ospitano completeranno l’indagine valutando la distanza degli oggetti e l’epoca in cui sono stati osservati. Useremo questo grande campione di ammassi per produrre stretti vincoli sulle proprietà cosmologiche dell’universo.
Astrofisica degli ammassi di galassie
Filamenti di gas spogliati nell’ammasso Coma visti nei raggi X (rosa) (Sanders et al. 2013). 
Molti processi fisici sono importanti negli ammassi di galassie. Si pensa che la fisica della materia oscura sia ben compresa, anche se la materia oscura non può essere vista direttamente. La fisica del gas e dei plasmi negli ammassi è invece poco compresa. Per esempio, al centro degli ammassi si trova spesso un buco nero supermassiccio attivo, o nucleo galattico attivo (AGN). Questi AGN sono ritenuti responsabili di impedire il rapido raffreddamento dell’ICM al centro dell’ammasso. Il processo di accrescimento della materia da parte del buco nero porta a getti altamente energetici di materiale che vengono spruzzati nell’ICM, gonfiando bolle giganti di materiale e riscaldando il gas circostante. Questo è chiamato feedback AGN, ma molti dei processi che avvengono non sono ancora compresi. Inoltre, si ritiene che l’ICM sia turbolento. Quanta turbolenza ci sia e quale effetto abbia sull’ammasso è poco conosciuto. Un’altra fisica interessante da studiare è l’arricchimento dell’ICM con “metalli” (elementi pesanti, come ossigeno, ferro o silicio) prodotti dalle stelle. L’ammasso agisce come un serbatoio dei metalli prodotti dalle stelle nel corso della sua vita.
Studiare l’astrofisica degli ammassi non è importante solo per se stessa. I processi fisici che osserviamo negli ammassi influenzano anche la loro capacità di essere usati come sonde della cosmologia. Il feedback AGN, per esempio, influenza la temperatura complessiva dell’ICM e la luminosità dei raggi X dell’ammasso, due dei principali metodi per misurare la massa dell’ammasso. La fisica degli ammassi può anche influenzare la nostra capacità di trovare gli ammassi.