Новые снимки аномально хорошо сформированного скопления галактик, сделанные телескопом «Джеймс Уэбб», открывают новые горизонты «космического полудня»

Поразительно компактное и массивное скопление галактик, сформировавшееся в тот период истории Вселенной, когда такие массивные структуры еще не должны были полностью сформироваться, бросает вызов теориям космической эволюции. В серии из трех недавних статей группа исследователей под руководством ученых из IPAC — центра науки и данных в области астрофизики и планетологии при Калифорнийском технологическом институте — сообщила, что это скопление является самым удаленным примером сильного гравитационного линзирования с участием скопления галактик.

Новые результаты, полученные на основе наблюдений космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), были представлены на 248-м заседании Американского астрономического общества.

Когда астрономы впервые увидели это скопление галактик, получившее название XLSSC 122, они поняли, что нашли нечто особенное. Скопление выглядело высокоразвитым — то есть большим и организованным, как скопление галактик в современной Вселенной, — несмотря на то, что находилось на расстоянии более 10 миллиардов световых лет от нас, в эпоху, когда другие группы галактик только начинали формироваться.

Теперь, благодаря непревзойденной разрешающей способности и светособирающей способности телескопа «Джеймс Уэбб», исследователи обнаружили, что скопление XLSSC 122 находится на одной линии с одной или несколькими еще более далекими галактиками. Из-за этого случайного совпадения гравитация гигантского скопления искривляет свет далекой галактики — это крайне редкое явление, называемое сильным гравитационным линзированием, — что позволяет с высокой точностью измерить массу XLSSC 122.

«Когда мы получили первые снимки с телескопа «Джеймс Уэбб», мы сказали: «Ух ты, посмотрите, какое сильное линзирование в этом скоплении!» — сказал Кайл Финнер, научный сотрудник Института космических исследований и ведущий автор первой статьи об этом скоплении. — XLSSC 122 теперь является рекордсменом по самому удаленному скоплению галактик с сильным линзированием, что является ценным инструментом для астрономов».

Случайное гравитационное линзирование позволило получить наиболее детальное представление о распределении массы в раннем скоплении галактик, существовавшем в период, известный как «космический полдень», около 10 миллиардов лет назад. В эту важнейшую эпоху формирования скоплений галактик, когда Вселенная достигла пика звездообразования, звезды рождались с невероятной скоростью — в 100 раз быстрее, чем в современном космосе.

В соответствии с репутацией XLSSC 122 как объекта, бросающего вызов устоявшимся представлениям, его масса оказалась чрезвычайно сконцентрированной в центре скопления. Такая особенность на столь раннем этапе космической истории бросает вызов традиционным космологическим моделям, которые описывают гораздо более медленное формирование массивных структур.

«XLSSC 122 — одно из первых известных нам скоплений галактик, сформировавшихся во Вселенной. Его концентрация массы не соответствует прогнозам нашей космологической модели», — сказал Финнер.

Вслед за открытием сильного гравитационного линзирования Финнер и его коллеги недавно опубликовали еще две статьи, авторами которых стали Закари Скофилд и Хёнчжин Джу из Университета Ёнсе. В них они исследуют другие аспекты XLSSC 122 с помощью телескопа «Джеймс Уэбб». Благодаря множеству новых результатов XLSSC 122 стал первопроходцем среди скоплений галактик в «космическом зените».

Видеть в темноте

Объект XLSSC 122 впервые был обнаружен в 2014 году в ходе рентгеновского исследования, проведенного космическим аппаратом Европейского космического агентства XMM-Newton. Последующие наблюдения с помощью космического телескопа «Хаббл» помогли уточнить расстояние до скопления галактик, которое составляет около 10,4 миллиарда световых лет, а также его неожиданно зрелые характеристики.

Однако данные, полученные с помощью телескопа «Хаббл», не выявили явных признаков сильного гравитационного линзирования, которое на снимках «Джеймса Уэбба» проявляется в виде световых дуг вокруг центра скопления галактик. Таким образом, обнаружение этих дуг стало приятным сюрпризом. «До запуска «Джеймса Уэбба» мы не могли проводить исследования такого уровня в ранней, далекой Вселенной», — сказал Финнер.

Однако непосредственно наблюдаемая масса скопления XLSSC 122 — его яркие звезды, светящиеся газы и так далее — на самом деле вносит незначительный вклад в эффект гравитационного линзирования. Основной источник — темная материя, которую астрономы называют невидимой, малоизученной, но при этом хорошо изученной субстанцией, которая обладает гравитацией, но не оставляет никаких других заметных следов. По некоторым оценкам, темная материя в пять раз тяжелее обычной материи — из которой состоят звезды, планеты и мы с вами.

Темная материя — краеугольный камень космологии, она удерживает галактики вместе и формирует крупномасштабную структуру Вселенной, в которой галактики объединяются в группы, а те, в свою очередь, — в гигантские нити, протянувшиеся через все пространство. Изучение распределения темной материи в сверхскоплениях галактик XLSSC 122 — это надежная проверка этой теории и того, насколько хорошо она описывает формирование структуры Вселенной с момента Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад.

«Сильное линзирование — это способ измерить темную материю, не видя ее, — говорит Финнер. — Оно позволяет нам с высокой точностью проверить наши космологические модели».

Полный обзор скопления галактик

Для своей второй статьи Финнер и его коллеги обратились к более тонкому явлению гравитационного линзирования, известному как слабое линзирование. В отличие от сильного линзирования, которое бросается в глаза, слабое линзирование проявляется в виде небольших искажений галактик, вызванных гравитацией, но настолько незначительных, что для выявления эффектов слабого линзирования требуется статистический анализ.

В то время как сильное гравитационное линзирование позволило исследовательской группе оценить массу ядра скопления, слабое гравитационное линзирование дало более полное представление о скоплении в целом, включая периферийные галактики. «Слабое гравитационное линзирование позволяет определить массу на гораздо большем расстоянии, так что можно получить более полное представление об окружающей скопление области», — говорит Финнер.

Этот общий обзор в сочетании с данными в рентгеновском и радиоволновом диапазонах, полученными с помощью других телескопов, показал, что XLSSC 122 находится в процессе слияния, а составляющие его галактики все еще объединяются. Второе исследование подтвердило результаты первого в отношении огромной массы XLSSC 122, сосредоточенной в центре.

В третьей и самой последней статье Финнер и его коллеги с помощью телескопа «Джеймс Уэбб» проследили так называемый внутрикластерный свет XLSSC — свечение, испускаемое звездами, которые свободно перемещаются между галактиками в скоплениях. Это открытие — самый ранний из известных случаев обнаружения внутрикластерного света — проливает свет на историю XLSSC 122.

Широкое распространение света внутри скопления подтверждает, что скопление находится в процессе слияния, при котором звезды, разлетевшиеся из столкнувшихся галактик, еще не осели в гравитационно мощном ядре скопления.

Любопытно, что, как заметили исследователи, форма внутрикластерного света, расположенного в центре, хорошо совпадает с концентрацией темной материи, выявленной с помощью сильного гравитационного линзирования. Если такой же результат будет обнаружен в других скоплениях галактик, особенно в ранней Вселенной, это может стать еще одним инструментом, с помощью которого астрономы смогут определить, где находится скрытая темная материя.

«В этом скоплении свет внутри скопления, по сути, указывает на темную материю, — говорит Финнер. — Этот свет говорит нам о том, что скопление находится в процессе слияния».

В будущем Финнер и его коллеги надеются найти и изучить еще десятки сверхдалеких скоплений галактик.

Такие редкие объекты не обнаруживаются с помощью телескопа «Джеймс Уэбб», у которого намеренно узкое поле зрения. Для выявления кандидатов необходимы широкомасштабные исследования неба в рентгеновском диапазоне, подобные тому, в ходе которого был обнаружен объект XLSSC 122, а также исследования с помощью радиотелескопов.

Одним из наиболее перспективных направлений является эффект Сюняева — Зельдовича, при котором в наблюдениях за послесвечением Большого взрыва, так называемым космическим микроволновым фоновым излучением, иногда появляются характерные «дыры». Эти «дыры» возникают, когда свет послесвечения рассеивается высокоэнергетическими частицами в скоплениях галактик, выдавая их местоположение.

Если будет обнаружено больше объектов, подобных XLSSC 122, с неравномерным распределением темной материи и необъяснимо ранним формированием, космологам, возможно, придется существенно пересмотреть свои фундаментальные представления о развитии Вселенной.

«Эра телескопа «Джеймс Уэбб» только начинается, — сказал Финнер, — и если мы сможем получить данные о десятках или сотнях подобных объектов на этом этапе развития Вселенной, то сможем по-настоящему проверить наши космологические модели».

На изображении:

Далекое скопление галактик, наблюдаемое космическим телескопом «Джеймс Уэбб» (JWST). Скопление XLSSC 122, находящееся на расстоянии более 10 миллиардов световых лет от нас, является самым далеким из известных скоплений галактик, которое действует как мощная гравитационная линза, увеличивая и искажая изображения еще более далеких галактик, расположенных за ним. Самый яркий сгусток оранжево-красных размытых объектов в самом центре изображения — это центральные галактики скопления. Фоновые галактики, гравитационно усиленные линзами, видны в виде серии сине-серых дуг, которые простираются вокруг размытых границ центральных галактик, особенно в правом нижнем углу. Существование сильного эффекта гравитационного линзирования вокруг такого древнего и далекого скопления бросает вызов традиционным космологическим моделям, согласно которым формирование и развитие таких массивных структур должно занимать больше времени. На этом изображении использованы данные, полученные в четырех различных фильтрах JWST. Свет с длиной волны 0,9, 2,0 и 3,56 микрона соответствует синему, зелёному и красному цветам соответственно. Данные, полученные с помощью фильтра с длиной волны 2,77 микрона, использовались для определения общей яркости изображения. Источник: NASA, ESA, CSA; Кайл Финнер (Калифорнийский технологический институт/IPAC), Роберт Хёрт (Калифорнийский технологический институт/IPAC-SELab)