Ο πρόγονος ενός «σμήνους από σμήνη» γαλαξιών έχει μάζα 5.000 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Γαλαξία μας και βρίσκεται σε μία από τις πυκνότερες περιοχές του κοσμικού ιστού που έχουν παρατηρηθεί ποτέ.
Μια διεθνής ομάδα αστρονόμων ανακάλυψε τον πιο μακρινό πρόγονο ενός υπερσμήνους γαλαξιών που έχει εντοπιστεί ποτέ. Η ανακάλυψη υποστηρίζει τις υπάρχουσες θεωρίες για τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσονται τα σμήνη γαλαξιών και αποκαλύπτει πώς συνδέονται με τον ευρύτερο κοσμικό ιστό. Η μελέτη βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε δεδομένα της έρευνας ODIN, η οποία πραγματοποιήθηκε με την κάμερα Dark Energy Camera, που κατασκευάστηκε για το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, στο τηλεσκόπιο Víctor M. Blanco των 4 μέτρων του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών των ΗΠΑ στη Χιλή.
Τα σμήνη γαλαξιών είναι οι πιο μαζικές βαρυτικά δεσμευμένες δομές στο Σύμπαν. Αυτές οι κολοσσιαίες συγκεντρώσεις εκατοντάδων έως χιλιάδων γαλαξιών εκτείνονται σε εκατομμύρια έτη φωτός. Συγκρατούνται μεταξύ τους από μεγάλες συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης, η οποία αποτελεί ένα από τα βασικά δομικά στοιχεία της μεγάλης κλίμακας δομής του Σύμπαντος.
Τα σμήνη που παρατηρούμε σχετικά κοντά μας, τόσο στον χώρο όσο και στον χρόνο, είναι ώριμες δομές που εξελίχθηκαν από τις λεγόμενες πρωτοσυστάδες γαλαξιών (protoclusters). Οι πρωτοσυστάδες είναι τεράστιες, χαλαρά δεσμευμένες συγκεντρώσεις γαλαξιών που βρίσκονται στη διαδικασία συγχώνευσης, αλλά δεν έχουν ακόμη εξελιχθεί σε σταθερά σμήνη.
Μελετώντας πολύ μακρινές πρωτοσυστάδες, οι οποίες σχηματίστηκαν όταν το Σύμπαν ήταν σχετικά νέο, οι επιστήμονες μπορούν να κατανοήσουν πώς τα σύγχρονα σμήνη γαλαξιών μεγάλωσαν και εξελίχθηκαν με την πάροδο του χρόνου.
Με αυτόν τον στόχο, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων, με επικεφαλής τη Vandana Ramakrishnan, τότε μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο Purdue, κοίταξε δισεκατομμύρια χρόνια πίσω στον χρόνο, αναζητώντας αυτούς τους αρχαίους προγόνους των σμηνών γαλαξιών.
Η ομάδα παρουσιάζει τα ευρήματά της σε εργασία που δημοσιεύτηκε στο The Astrophysical Journal.
«Με αυτό το έργο, ελπίζουμε να κατανοήσουμε την ανάπτυξη των μαζικών δομών στο Σύμπαν και πώς αυτές επηρεάζουν την εξέλιξη των γαλαξιών που βρίσκονται μέσα σε αυτές», λέει η Ramakrishnan. «Ελπίζουμε επίσης να αποκτήσουμε μια καλύτερη εικόνα για το πώς αυτές οι πρωτοσυστάδες συνδέονται με τον ευρύτερο κοσμικό ιστό».
Η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα από την έρευνα One-hundred-deg² DECam Imaging in Narrowbands (ODIN). Η έρευνα πραγματοποιείται με την Dark Energy Camera (DECam), η οποία είναι τοποθετημένη στο τηλεσκόπιο Víctor M. Blanco των 4 μέτρων στο Αστεροσκοπείο Cerro Tololo στη Χιλή, μέρος του NSF NOIRLab.
Με το μεγάλο οπτικό της πεδίο και την ανάλυση των 570 megapixel, η DECam πέρασε περισσότερες από 100 νύχτες τα τελευταία τρία χρόνια καταγράφοντας βαθιές εικόνες μιας τεράστιας περιοχής του ουρανού του Νοτίου Ημισφαιρίου.
Συνολικά, η ομάδα εντόπισε 150 μακρινές πρωτοσυστάδες, οι οποίες σχηματίστηκαν όταν το Σύμπαν είχε ηλικία περίπου 1 έως 3 δισεκατομμύρια χρόνια.
Στη συνέχεια, οι επιστήμονες επικεντρώθηκαν σε δύο δομές που παρουσίαζαν μια εντυπωσιακή υπερπυκνότητα γαλαξιών, τις COSMOS-z3.1-A και COSMOS-z3.1-C.
Ο Όμιλος Φίλων Αστρονομίας στα μέσα κοινωνικής δικτύωσης: facebook, instagram, x, tiktok, youtube
Η έρευνα ODIN παρείχε τις δισδιάστατες συντεταγμένες των θέσεων αυτών των δομών στον ουρανό. Ωστόσο, για να αποκτήσουν οι επιστήμονες μια πραγματική εικόνα της κατανομής των γαλαξιών και του τρόπου με τον οποίο οι δομές αυτές εντάσσονται στον κοσμικό ιστό μεγάλης κλίμακας, ήταν απαραίτητη μια τρισδιάστατη απεικόνιση.
Για τη χαρτογράφηση αυτών των δομών σε τρεις διαστάσεις, η Ramakrishnan συνεργάστηκε με δύο ακόμη μεταπτυχιακούς φοιτητές, τον Byeongha Moon και τη Nicole Firestone, οι οποίοι ηγήθηκαν των παρατηρήσεων παρακολούθησης χρησιμοποιώντας φασματογράφους.
Σε αντίθεση με μια απλή δισδιάστατη εικόνα του ουρανού, οι φασματογράφοι χρησιμοποιούν τις ιδιότητες του φωτός για να μετρήσουν την απόσταση ενός αντικειμένου, επιτρέποντας στους επιστήμονες να προσδιορίσουν τη θέση του στον τρισδιάστατο χώρο.
Η πλειονότητα των φασμάτων που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη αποκτήθηκε με το Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), έναν ισχυρό φασματογράφο πολλαπλών αντικειμένων που μπορεί να μετρά ταυτόχρονα τις αποστάσεις έως και 5.000 διαφορετικών γαλαξιών.
Η ομάδα απέκτησε επιπλέον φάσματα χρησιμοποιώντας το Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) στο τηλεσκόπιο Gemini South στη Χιλή, καθώς και το DEep Imaging Multi-Object Spectrograph (DEIMOS) στο τηλεσκόπιο Keck II στη Χαβάη.
Η συγκεκριμένη μελέτη είναι μία από τις πρώτες που δημιούργησαν τόσο λεπτομερείς τρισδιάστατους χάρτες πολλών μακρινών πρωτοσυστάδων γαλαξιών.
Οι χάρτες επέτρεψαν στην ομάδα να προβλέψει σε τι είδους δομές θα εξελιχθούν οι COSMOS-z3.1-A και COSMOS-z3.1-C.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι και οι δύο δομές θα εξελιχθούν σε συστήματα με μεγαλύτερη μάζα από το μεγαλύτερο γνωστό σμήνος γαλαξιών στο τοπικό μας Σύμπαν, το περίφημο Σμήνος της Κόμης (Coma Cluster).
Όμως η COSMOS-z3.1-A αποδείχθηκε ότι είναι κάτι ακόμη πιο σπάνιο από μια πρωτοσυστάδα.
Πρόκειται για ένα πρωτο-υπερσμήνος (proto-supercluster), δηλαδή τον πρόγονο ενός πραγματικού «σμήνους από σμήνη» γαλαξιών.
Η COSMOS-z3.1-A παρατηρήθηκε όταν το Σύμπαν είχε ηλικία μόλις 2,1 δισεκατομμύρια χρόνια, γεγονός που την καθιστά το πιο πρώιμο και πιο μακρινό πρωτο-υπερσμήνος που έχει ανακαλυφθεί ποτέ.
Η μάζα της είναι πραγματικά εντυπωσιακή: υπολογίζεται ότι είναι περίπου 5.000 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Γαλαξία μας.
«Η COSMOS-z3.1-A αντιπροσωπεύει μία από τις πιο ακραίες και πιο πυκνές περιοχές του Σύμπαντος», λέει η Ramakrishnan. «Πιστεύουμε ότι υπάρχει λιγότερο από ένα τέτοιο αντικείμενο για κάθε 10.000 σμήνη γαλαξιών!»
Από τους λεπτομερείς τρισδιάστατους χάρτες, οι επιστήμονες συμπέραναν ότι αυτές οι αρχαίες πρωτοσυστάδες έχουν πολύ ανομοιόμορφη και ακανόνιστη δομή και βρίσκονται στα σημεία όπου συναντώνται πολλαπλά νήματα του κοσμικού ιστού.
Είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες παρατηρούν άμεσα τέτοια χαρακτηριστικά στο μακρινό Σύμπαν. Οι παρατηρήσεις συμφωνούν με τις θεωρητικές προβλέψεις για τον τρόπο με τον οποίο κατανέμεται η ύλη σε ολόκληρο το Σύμπαν.
Τα σημερινά μοντέλα υποδεικνύουν ότι ο σχηματισμός των κοσμικών δομών πραγματοποιείται με έναν τρόπο που ονομάζεται «από κάτω προς τα πάνω» (bottom-up). Δηλαδή, πρώτα σχηματίζονται μικρότερες δομές, οι οποίες στη συνέχεια συγχωνεύονται και δημιουργούν μεγαλύτερες.
Η ανομοιόμορφη υποδομή που παρατηρείται στους τρισδιάστατους χάρτες πιθανότατα αποτελεί ένδειξη αυτής της διαδικασίας ανάπτυξης.
Οι επιμέρους πυκνές περιοχές θα καταρρεύσουν και θα συγχωνευθούν καθώς οι πρωτοσυστάδες εξελίσσονται, δημιουργώντας τελικά σμήνη παρόμοια με αυτά που παρατηρούμε στο τοπικό Σύμπαν, τα οποία έχουν συνήθως πιο σφαιρικό και ομαλό σχήμα.
Χάρη στη μεγάλη περιοχή κάλυψης και στο βάθος των παρατηρήσεών της, η ODIN βρίσκεται σε εξαιρετική θέση για να ανακαλύψει ακόμη περισσότερες τέτοιες τεράστιες κοσμικές δομές στο μακρινό Σύμπαν.
«Η μεθοδολογία τρισδιάστατης ανακατασκευής που παρουσιάζεται σε αυτή την εργασία θα αποτελέσει ζωτικό στοιχείο αυτών των προσπαθειών», λέει η Ramakrishnan. «Θα μας επιτρέψει να διακρίνουμε καθαρά τους πυρήνες και τις εξωτερικές περιοχές των πρωτοσυστάδων, καθώς και τα κοσμικά νήματα που τις τροφοδοτούν».
Η ομάδα προσβλέπει σε ακόμη περισσότερες ανακαλύψεις την επόμενη δεκαετία, καθώς το Παρατηρητήριο Vera C. Rubin θα πραγματοποιεί την πρωτοποριακή έρευνα Legacy Survey of Space and Time (LSST).
Παρατηρώντας ολόκληρο τον ουρανό του Νοτίου Ημισφαιρίου κάθε λίγες νύχτες, το Rubin θα δημιουργήσει ένα εξαιρετικά πλούσιο σύνολο δεδομένων, το οποίο θα συμπληρώσει τις βαθιές παρατηρήσεις της ODIN στις κοινές περιοχές του ουρανού.
Μαζί, αυτά τα δεδομένα θα προσφέρουν μια βαθιά εικόνα τόσο του κοντινού όσο και του μακρινού Σύμπαντος, επιτρέποντας στους επιστήμονες να μελετήσουν την εξέλιξη των σμηνών γαλαξιών σε ολόκληρη την κοσμική ιστορία.
https://noirlab.edu/public/news/noirlab2622
Η δημοσίευση στο The Astrophysical Journal.