Clusters van melkwegstelsels zijn de grootste gravitatie-gebonden structuren in het heelal. Als zodanig zijn zij krachtige tracers van de structuren van materie op de grootste schalen, waarmee wij de eigenschappen van het heelal zelf kunnen meten. Bovendien zijn het fascinerende kosmologische laboratoria voor het begrijpen van de interactie tussen sterrenstelsels, zwaartekracht, plasma’s, actieve galactische kernen, superzware zwarte gaten en stervorming.
Optische afbeelding van de sterrenhoop MACS1206, met röntgencontouren (N. Clerc, J. Ridl). De optische gegevens zijn verkregen met het WFI-instrument op de MPI/ESO 2,2 m telescoop, terwijl de röntgengegevens afkomstig zijn van XMM-Newton. 
Clusters van sterrenstelsels worden gedomineerd door donkere materie, die ongeveer 85 procent van de totale massa uitmaakt. Donkere materie kan alleen worden gedetecteerd door het gravitatie-effect ervan op andere materie en licht dat in de buurt ervan komt. Het grootste deel van de normale lichtgevende materie is in de vorm van een heet plasma (een gas dat zo heet is dat de elektronen en kernen niet aan elkaar gebonden blijven), het intraclustermedium (ICM). Clusters bevatten 10 tot 1000 melkwegstelsels, die slechts ongeveer 2 procent van hun totale massa uitmaken. Clusters van melkwegstelsels bestrijken een massabereik, waarbij de laagste massa’s bekend staan als galaxygroepen.
De ICM is heet door de massieve potentiële bron van clusters van melkwegstelsels. De gravitationele potentiële energie van materiaal dat in de cluster valt, leidt tot schokverwarming van het gas tot 10s of miljoenen °C. Vanwege de grootte van clusters is dit materiaal zeer ijl, met slechts ruwweg tussen de 10 en 10000 deeltjes in elke kubieke meter cluster. De dichtheid neemt toe naar het centrum van de cluster toe. De ICM zendt sterk röntgenstraling uit vanwege zijn hoge temperatuur via het Bremsstrahlung-emissieproces, dat uitzendt met een helderheid die evenredig is met de dichtheid van de ICM in het kwadraat.
In de High Energy (HE) Group bestuderen we clusters voornamelijk aan de hand van hun röntgenstraling, wat een van de meest robuuste methoden is om clusters te vinden en hun eigenschappen te bestuderen. Informatie van andere golfbanden biedt ook krachtige onafhankelijke methoden om clusters te vinden en hun eigenschappen te verifiëren. Dit omvat het bestuderen van het aantal sterrenstelsels en hun snelheid, want in massievere clusters zijn er meer sterrenstelsels en deze bewegen sneller door het gravitatieveld. Clusters beïnvloeden ook het licht van de kosmische microgolfachtergrond dat door de cluster reist via een proces dat het Sunyaev-Zel’dovich (SZ) effect wordt genoemd, waarbij de frequentie van het licht wordt gewijzigd als het door de cluster gaat. Een andere methode is het onderzoeken van het effect dat een cluster heeft op licht van melkwegstelsels achter de cluster. De grote massa van de cluster van melkwegstelsels buigt licht dat door de cluster valt af door een proces dat “gravitatielensing” wordt genoemd. Afhankelijk van hoe dicht het licht bij de massa komt, kan dit een sterk effect zijn, dat karakteristieke lichtbogen oplevert, of een zwak effect, waarbij de vormen van veel sterrenstelsels enigszins worden vervormd.
Cosmologie met behulp van sterrenstelselclusters
De basiseigenschappen van het heelal hebben invloed op hoe clusters zich vormen en groeien tijdens hun levensduur. Tot deze eigenschappen behoren de uitdijingssnelheid van het heelal (H0), de fractie van het heelal die uit normale en niet uit donkere materie bestaat (Ωm), de sterkte van een mysterieuze afstotende kracht die bekend staat als donkere energie (ΩΛ) en de sterkte van de groei van de fluctuaties (σ8). Daarom kunnen we de eigenschappen van het heelal meten (kosmologie bedrijven) door clusters te bestuderen.
Aantal clusters als functie van roodverschuiving en massa waarvan voorspeld wordt dat ze door eROSITA zullen worden gedetecteerd (Merloni et al.) 
De belangrijkste manier waarop dit kan worden gedaan is door te tellen hoeveel clusters er van een bepaalde massa zijn als functie van de afstand tot ons. Naarmate we met telescopen verder weg kijken, kijken we ook in het verleden van het heelal, omdat licht tijd nodig heeft om ons te bereiken. Door clusters met een bepaalde massa te tellen en te kijken hoe ze de driedimensionale grootschalige structuur vormen, bestuderen we hoe clusters groeien en evolueren gedurende de levensduur van het heelal.
De HE-groep op het MPE speelt een leidende rol bij de bouw van het eROSITA-instrument op de Russische Spectrum-Roentgen-Gamma”-satelliet (SRG), die in 2016 zal worden gelanceerd. Het instrument zal verschillende onderzoeken van de hemel in de röntgenband uitvoeren, waardoor we 50 tot 100 duizend clusters van sterrenstelsels kunnen ontdekken, naast vele andere astronomische objecten. Grote spectroscopische en beeldvormende onderzoeken zullen de röntgenwaarnemingen aanvullen. Analyses van het optische licht dat wordt uitgezonden door de 100-1000 melkwegstelsels die ze herbergen, zullen het onderzoek aanvullen door de afstand van de objecten en het tijdstip waarop ze zijn waargenomen te bepalen. We zullen deze grote steekproef van clusters gebruiken om strikte beperkingen op te leggen aan de kosmologische eigenschappen van het heelal.
Astrofysica van sterrenstelsels
Filamenten van gestript gas in de Coma-cluster gezien in röntgenstraling (roze) (Sanders et al. 2013). 
Vele fysische processen zijn belangrijk in clusters van melkwegstelsels. De fysica van de donkere materie wordt verondersteld goed te worden begrepen, ook al kan donkere materie niet direct worden gezien. De fysica van gas en plasma’s in clusters wordt echter slecht begrepen. In het centrum van clusters bevindt zich bijvoorbeeld vaak een actief superzwaar zwart gat, oftewel een actieve galactische kern (AGN). Deze AGNs zouden verantwoordelijk zijn voor het voorkomen van de snelle afkoeling van de ICM in het centrum van de cluster. Het proces waarbij materie door het zwarte gat wordt geaccumuleerd, leidt tot hoogenergetische straalstromen van materie die in de ICM worden gespoten, waardoor reusachtige bellen materie worden opgeblazen en het omringende gas wordt verwarmd. Dit wordt AGN-feedback genoemd, maar veel van de processen die hierbij plaatsvinden worden nog niet begrepen. Bovendien wordt aangenomen dat de ICM turbulent is. Hoeveel turbulentie er is en welk effect deze heeft op de sterrenhoop, is nog maar slecht bekend. Een andere interessante fysica om te bestuderen is de verrijking van de ICM met “metalen” (zware elementen, zoals zuurstof, ijzer of silicium) die door sterren worden geproduceerd. De sterrenhoop fungeert als een reservoir van de metalen die tijdens zijn leven door sterren zijn geproduceerd.
Bestudering van de astrofysica van sterrenhopen is niet alleen belangrijk voor zichzelf. De fysische processen die we in clusters waarnemen, zijn ook van invloed op hun vermogen om als sondes van de kosmologie te worden gebruikt. De terugkoppeling van AGN’s beïnvloedt bijvoorbeeld de totale ICM-temperatuur en de röntgenhelderheid van de cluster, twee van de belangrijkste methoden om clustermassa te meten. De fysica van clusters kan ook van invloed zijn op ons vermogen om clusters te vinden.