Науковці виявили у глибинах космосу, віддалених від нас на мільярди світлових років, протокластери галактик COSMOS-z3.1-A та COSMOS-z3.1-C. Зараз ці колосальні структури нагадують просто скупчення галактик, оточені великою кількістю газу та пилу, але в майбутньому мають вирости у надскупчення, що містять десятки тисяч зоряних систем, подібних до Чумацького Шляху.
Колосальні структури Всесвіту та їхні попередники
Міжнародна група астрономів відкрила найвіддаленіший з усіх коли-небудь виявлених попередників надскупчення галактик. Це відкриття підтверджує існуючі теорії щодо еволюції скупчень галактик і розкриває, як вони пов’язані з більш масштабною космічною мережею. Про це розповідає сайт noirlab.edu.
Скупчення галактик — це наймасивніші гравітаційно зв’язані структури у Всесвіті. Ці колосальні угруповання, що налічують від сотень до тисяч галактик, простягаються на мільйони світлових років. Їх утримує разом велика концентрація темної матерії, яка слугує будівельним блоком для більшої структури Всесвіту.
Скупчення, які науковці спостерігають відносно близько до нас у просторі та часі, є зрілими структурами, що еволюціонували з так званих «протоскупчень». Ці протоскупчення — це величезні, слабко зв’язані скупчення галактик, які перебувають у процесі злиття, але ще не сформували стабільного скупчення. Досліджуючи дуже віддалені протоскупчення, що утворилися, коли Всесвіт був відносно молодим, вчені можуть зрозуміти, як сучасні скупчення галактик зростали та еволюціонували з плином часу.
З цією метою міжнародна команда науковців під керівництвом Вандани Рамакрішнан, яка на момент проведення дослідження була аспіранткою Університету Пердью, зазирнула на мільярди років у минуле, щоб знайти цих древніх попередників скупчень галактик. «Завдяки цьому проєкту ми сподіваємося зрозуміти процес зростання масивних структур у Всесвіті та те, як вони впливають на еволюцію галактик у їхніх межах, — каже Рамакрішнан. — Ми також сподіваємося краще зрозуміти, як ці протоскупчення пов’язані з ширшою космічною мережею».
Створення тривимірної карти
У своєму дослідженні автори використовували дані з обстеження «One-hundred-deg2 DECam Imaging in Narrowbands» (ODIN). Це обстеження проводиться за допомогою камери Dark Energy Camera (DECam), виготовленої Міністерством енергетики США (DOE), встановленої на 4-метровому телескопі імені Віктора М. Бланко Національного наукового фонду (NSF) у Міжамериканській обсерваторії Серро-Тололо (CTIO) в Чилі, що входить до програми NSF NOIRLab. Завдяки великому полю зору та роздільній здатності 570 мегапікселів камера DECam протягом останніх трьох років провела понад 100 ночей, знімаючи глибокі зображення величезної ділянки неба Південної півкулі.
Загалом команда виявила 150 віддалених протоскупчень, що утворилися, коли Всесвіту було приблизно 1–3 мільярди років . Вони зосередили увагу на двох скупченнях, які демонстрували вражаючу надщільність галактик і отримали назви COSMOS-z3.1-A та COSMOS-z3.1-C. Обстеження ODIN надало двовимірні координати розташування цих структур на небі. Однак, щоб отримати справжнє уявлення про розподіл галактик у них та про те, як вони вписуються у великомасштабну космічну мережу, необхідна тривимірна перспектива.
Щоб створити тривимірну карту цих структур, до Рамакрішнан приєдналися ще двоє аспірантів — Бйонга Мун (KASI) та Ніколь Файерстоун (Рутгерський університет) — для проведення подальших спостережень за допомогою комплексу приладів, що називаються спектрографами. На відміну від отримання двовимірного зображення неба, спектрографи використовують властивості світла для вимірювання відстані до об’єкта, що дозволяє вченим визначити його положення у тривимірному просторі.
Команда отримала додаткові спектри за допомогою багатооб’єктного спектрографа Gemini (GMOS) на телескопі Gemini-South у Чилі — одній із частин Міжнародної обсерваторії Gemini, яка частково фінансується Національним науковим фондом (NSF) і експлуатується NSF NOIRLab, — а також за допомогою багатооб’єктного спектрографа глибокого зображення (DEIMOS) на телескопі «Кек II», розташованому на горі Маунакеа на Гаваях.
Це дослідження є одним із перших, в рамках якого було створено настільки детальні 3D-карти декількох віддалених протоскупчень. Ці карти дозволили команді вчених передбачити, у які саме скупчення еволюціонують COSMOS-z3.1-A та COSMOS-z3.1-C. Вони з’ясували, що обидва скупчення стануть масивнішими за найбільше відоме скупчення галактик у нашому локальному Всесвіті — Скупчення Коми.
Грудкуваті протоскупчення на світанку існування нашого Всесвіту
Більше того, вчені встановили, що COSMOS-z3.1-A є чимось ще рідкіснішим за протоскупчення, яке й без того є досить рідкісним явищем. Це протосуперскупчення, або попередник «скупчення скупчень» галактик. Цей об’єкт, який спостерігали, коли Всесвіту було лише 2,1 мільярда років, є найдавнішим і найвіддаленішим протосуперскупченням, яке коли-небудь було виявлено, і він має вражаючу масу, що в 5000 разів перевищує масу Чумацького Шляху.
На основі своїх детальних 3D-карт команда дійшла висновку, що ці древні протоскупчення мають дуже грудкуватий і нерегулярний вигляд та розташовані на перетинах численних ниток космічної павутини. Вперше вчені безпосередньо спостерігали такі особливості у віддаленому Всесвіті, і ці спостереження узгоджуються з їхніми очікуваннями щодо розподілу речовини у космосі.
Сучасні моделі припускають, що формування структур відбувається за принципом «знизу вгору»: спочатку утворюються менші структури, які потім зливаються, утворюючи більші. Ймовірно, що грудкуваті підструктури, які видно на 3D-картах, є свідченням такого зростання «знизу вгору». У міру еволюції протоскупчень ці грудки зливатимуться, утворюючи скупчення, подібні до тих, що ми бачимо в локальному Всесвіті, які мають набагато круглішу форму.
Нові відкриття за допомогою нових інструментів
Завдяки широкій зоні огляду та глибині спостереження ODIN має всі можливості для виявлення більшої кількості таких масивних космічних структур у далекому Всесвіті. «Методологія 3D-реконструкції, представлена в цій роботі, стане важливою складовою цих зусиль, що дозволить нам чітко розрізняти ядра та околиці протоскупчень, а також космічні нитки, що живлять їх», — зазначає Рамакрішнан.
Команда з нетерпінням очікує на нові відкриття в наступному десятилітті, коли обсерваторія імені Вери С. Рубін (NSF–DOE Vera C. Rubin Observatory) проводитиме свій новаторський проект «Legacy Survey of Space and Time» (LSST). Знімаючи все небо Південної півкулі кожні кілька ночей, обсерваторія Рубін створить багатий масив даних, який доповнить глибокі знімки ODIN у області неба, що перекривається. Разом ці дані дадуть глибоке уявлення про близький і далекий Всесвіт, що дозволить вченим досліджувати еволюцію скупчень галактик упродовж космічного часу.
