Teleskop Bieguna Południowego stworzył największy głęboki katalog gromad galaktyk

Zespół z Argonne National Laboratory ogłosił powstanie katalogu ponad 7 tysięcy potwierdzonych gromad galaktyk, zebranych podczas pięciu lat obserwacji Teleskopu Bieguna Południowego na Antarktydzie. To nie jest rekordowo duży przegląd nieba, ale wyjątkowo głęboki – i aż dwie trzecie znalezionych gromad ujawniło swój gorący gaz po raz pierwszy w historii obserwacji.

Fragment danych SPT-3G obejmujący około 0,5% głównego obszaru przeglądu: po lewej surowy sygnał mikrofalowy, po prawej te same dane z zaznaczonymi gromadami galaktyk wykrytymi dzięki efektowi Sunyaeva-Zeldovicha. Źródło: SPT-3G Collaboration/Argonne National Laboratory

Gromady galaktyk jako kosmiczne wagi

Gromady galaktyk to największe struktury we Wszechświecie spięte grawitacją – zawierają setki lub tysiące galaktyk, ogromne ilości gorącego gazu międzygalaktycznego oraz, przede wszystkim, ciemną materię, która stanowi większość ich masy. Właśnie dlatego astronomowie traktują je jak naturalne wagi kosmologiczne: licząc, ile gromad powstało w danej epoce i jak są rozmieszczone, można testować modele opisujące ciemną materię i ciemną energię.

Zespół SPT-3G szukał gromad nie poprzez bezpośrednie liczenie galaktyk, lecz metodą pośrednią – efektem Siuniajewa-Zeldowicza. Kiedy światło kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (pozostałości po Wielkim Wybuchu) przechodzi przez gorący gaz wypełniający gromadę, wysokoenergetyczne elektrony nieznacznie zmieniają jego widmo. W efekcie gromada odciska w tle mikrofalowym charakterystyczny cień, widoczny niezależnie od tego, jak daleko i jak słabo świecą jej galaktyki. To sprawia, że metoda ta jest wyjątkowo czuła na bardzo odległe, młode gromady, które klasyczne przeglądy optyczne łatwo przeoczą.

7190 potwierdzonych obiektów, z czego jedna trzecia zupełnie nowa

Analiza objęła około 4 procent nieba – pas o powierzchni 1600 stopni kwadratowych – i wyłoniła 8892 kandydatów. Po skrzyżowaniu z danymi optycznymi i podczerwonymi z Dark Energy Survey potwierdzono 7190 z nich. Około 20 procent nie figurowało w żadnym wcześniejszym katalogu, a dla 67 procent próbki – blisko 4824 obiektów – był to pierwszy przypadek, gdy w ogóle zarejestrowano gorący gaz wewnątrz danej gromady. Innymi słowy, większość katalogu to naprawdę nowe okno na wielkoskalową strukturę kosmosu, a nie tylko dokładniejszy opis obiektów już znanych.

Wśród potwierdzonych gromad znalazło się około 1800 tak odległych, że ich światło wędrowało do nas ponad 7,8 miliarda lat – widzimy je więc w epoce, gdy Wszechświat miał niespełna połowę obecnego wieku. Badacze zauważyli też coś nieoczekiwanego: silny wzrost emisji związanej z pyłem w otoczeniu gromad we wcześniejszych epokach kosmicznych, co rzuca nowe światło na to, jak w tamtym czasie przebiegały procesy gwiazdotwórcze wewnątrz i wokół tych olbrzymich struktur.

– Nasza analiza wykorzystuje wyjątkowo głębokie dane SPT-3G, otwierając nowe okno na starożytny Wszechświat. To kamień milowy dla kosmologii gromad galaktyk – ten katalog będzie podstawą wielu badań na lata – powiedziała Lindsey Bleem, fizyczka z Argonne i główna autorka pracy.

Co dalej: test dla modeli kosmologicznych

Instrument SPT-3G, czyli kamera zamontowana na Teleskopie Bieguna Południowego, została wyposażona w 2017 roku w 16 tysięcy detektorów zbudowanych właśnie w Argonne. Zespół zapowiada, że kolejnym krokiem będzie dopracowanie pomiarów mas gromad i wykorzystanie całego katalogu do testowania modeli ewolucji Wszechświata w skali ostatnich 10 miliardów lat.

Katalog ma też zyskać nowych sojuszników. Rozpoczynający się właśnie przegląd Legacy Survey of Space and Time prowadzony przez Obserwatorium im. Very C. Rubin w Chile oraz misja Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej mają dostarczyć optycznego potwierdzenia dla jeszcze odleglejszych gromad ukrytych w danych SPT-3G. W praktyce oznacza to, że dzisiejsze 7190 obiektów to prawdopodobnie dopiero początek – a nie ostateczna liczba – najgłębszej mapy wielkoskalowej struktury kosmosu, jaką kiedykolwiek stworzono metodą Siuniajewa-Zeldowicza.