Najdalszy znany zalążek supergromady galaktyk w kosmicznej sieci

Kosmiczny rekord odległości

Międzynarodowy zespół astronomów ogłosił odkrycie najdalszego znanego przodka supergromady galaktyk – proto‑supergromady nazwanej COSMOS‑z3.1‑A. Obserwujemy ją w momencie, gdy Wszechświat miał zaledwie około 2,1 miliarda lat, czyli około 15% swojego obecnego wieku.
Nowo zidentyfikowana proto‑supergromada ma już masę szacowaną na około 5000 mas Drogi Mlecznej i w przyszłości wyewoluuje w gigantyczną gromadę gromad galaktyk – strukturę masywniejszą niż słynna gromada galaktyk w Gromadzie Warkocza Bereniki (Coma).
COSMOS‑z3.1‑A znajduje się w dobrze znanym polu obserwacyjnym COSMOS, przy przesunięciu ku czerwieni około z = 3,1 (stąd oznaczenie z3.1), co odpowiada odległości rzędu kilkunastu miliardów lat świetlnych.

Nowo odkryta proto-supergromada galaktyk o nazwie COSMOS-z3.1-A. Proto-supergromada to luźny zbiór galaktyk, który pewnego dnia połączy się w stabilną „gromadę gromad” galaktyk. Obserwowana, gdy Wszechświat miał zaledwie 2,1 miliarda lat, COSMOS-z3.1-A jest najwcześniejszą i najodleglejszą proto-supergromadą, jaką kiedykolwiek odkryto, i może pochwalić się imponującą masą, 5000 razy większą niż Droga Mleczna. Źródło: CTIO/NOIRLab/DOE/NSF/AURA. Przetwarzanie obrazu: Rektor TA (University of Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), M. Zamani i D. de Martin (NSF NOIRLab)

Protogromady i proto‑supergromady – o co chodzi?

Współczesne obserwacje kosmologiczne pokazują, że galaktyki nie są rozmieszczone w przestrzeni losowo, lecz tworzą kosmiczną sieć – gęste węzły połączone długimi włóknami (filamentami) materii, przecięte rozległymi pustkami. Gromady galaktyk to takie węzły: ogromne skupiska setek–tysięcy galaktyk związanych wspólną grawitacją, zanurzonych w gorącym gazie i otoczeniu ciemnej materii.
Protogromada to młodociana wersja gromady – wielkoskalowe zagęszczenie galaktyk we wczesnym Wszechświecie, które dopiero ściąga materię z otoczenia i z czasem zapadnie się w w pełni uformowaną gromadę. Proto‑supergromada idzie krok dalej: jest przodkiem całej supergromady, czyli układu wielu gromad galaktyk połączonych wspólną strukturą ciemnej materii, podobnej skalą do naszego lokalnego kosmicznego adresu Laniakea. COSMOS‑z3.1‑A jest właśnie takim przodkiem przyszłej supergromady – złożonym z wielu protogromad połączonych filamentami kosmicznej sieci.

Jak odnaleźć zalążek supergromady

Za odkryciem COSMOS‑z3.1‑A stoi przegląd nieba o szerokim polu widzenia – ODIN – prowadzony kamerą DECam na 4‑metrowym teleskopie Víctor M. Blanco w Cerro Tololo w Chile, o polu widzenia kilku stopni i rozdzielczości 570 megapikseli, spędziła ponad 100 nocy w ciągu trzech lat, zbierając głębokie obrazy rozległego fragmentu nieba w licznych wąskich filtrach.
Kluczową rolę odegrała emisja Lyman‑alfa – promieniowanie ultrafioletowe z młodych, intensywnie formujących się gwiazd, przesunięte przez ekspansję Wszechświata do zakresu zielonego światła dla obiektów o przesunięciu ku czerwieni z ≈ 3,1. Wąskopasmowe filtry ODIN działają jak skalpel kosmicznego czasu, wybierając galaktyki emitujące Lyman‑alfa w bardzo wąskim zakresie przesunięcia ku czerwieni, co pozwala wykryć trójwymiarowe zagęszczenia galaktyk w konkretnych epokach kosmicznych.
Zespół zastosował metodę porównywania jasności w filtrach szerokopasmowych i wąskopasmowych, aby wyłowić około 150 kandydatów na odległe protogromady z okresu 1–3 miliardów lat po Wielkim Wybuchu. Najbardziej obiecującymi strukturami okazały się dwie: COSMOS‑z3.1‑A i sąsiednia COSMOS‑z3.1‑C.

Co dokładnie odkryli astronomowie

Sama identyfikacja zagęszczenia na obrazach to dopiero pierwszy krok – aby zobaczyć jego faktyczny kształt w przestrzeni, potrzebne są dokładne pomiary odległości, czyli widma galaktyk. COSMOS‑z3.1‑A i sąsiednia struktura COSMOS‑z3.1‑C zostały więc intensywnie obserwowane spektroskopowo przy użyciu dużych teleskopów, m.in. instrumentu DESI na teleskopie Mayalla, spektrografu DEIMOS na Kecku oraz GMOS na Gemini.
Na podstawie kombinacji fotometrii z ODIN i tych obserwacji spektroskopowych zespół zrekonstruował trójwymiarową mapę obu kompleksów protogromad, korzystając z metody probabilistycznej testowanej na symulacjach IllustrisTNG. Okazało się, że COSMOS‑z3.1‑A składa się z dziesięciu gęstych szczytów zagęszczenia galaktyk, połączonych siecią filamentów kosmicznej sieci – każdy z tych węzłów jest przyszłą gromadą galaktyk.
Szacunki docelowej masy tej struktury mówią, że jej potomna supergromada w epoce z = 0 (czyli dziś) będzie mieć całkowitą masę log(M/M☉) ≳ 15,3, co oznacza układ cięższy niż gromada Warkocza Bereniki i porównywalny skalą z największymi znanymi supergromadami, takimi jak Laniakea. W przypadku COSMOS‑z3.1‑C badacze znaleźli cztery główne szczyty gęstości, które również mają urosnąć do struktur masywniejszych niż Gromada Warkocza Bereniki.

Dlaczego COSMOS‑z3.1‑A jest tak ważna

COSMOS‑z3.1‑A jest nie tylko rekordowo daleką proto‑supergromadą, ale też niezwykle rzadkim obszarem ekstremalnego zagęszczenia materii – autorzy szacują, że w całym Wszechświecie istnieje mniej niż jeden taki obiekt na 10 000 typowych gromad galaktyk. Jej szczegółowa trójwymiarowa mapa pokazuje, jak już we wczesnym Wszechświecie kosmiczna sieć wytworzyła szkielet największych struktur: nieregularne, wydłużone kompleksy protogromad, w których gęste węzły karmione są strumieniami materii z filamentów.
Porównanie obserwacji ODIN z symulacjami kosmologicznymi pozwala przetestować, czy nasze modele ciemnej materii, ciemnej energii i formowania się struktur wielkoskalowych rzeczywiście przewidują istnienie tak masywnych proto‑supergromad tak wcześnie w historii kosmosu. Co równie istotne, COSMOS‑z3.1‑A pokazuje, że dzięki emisji Lyman‑alfa i połączeniu wąskopasmowej fotometrii z szeroką kampanią spektroskopową jesteśmy dziś w stanie mapować kosmiczną sieć w epokach, które jeszcze niedawno wydawały się zbyt odległe, by badać je w takiej szczegółowości.
To otwiera drogę do kolejnych odkryć jeszcze wcześniejszych protostruktur – a być może kiedyś także bezpośredniego porównania obserwowanych współczesnych supergromad z ich dawno sfotografowanymi dzieciństwami w młodym Wszechświecie.