636
Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) зафіксував один із найдавніших відомих галактичних кластерів, у якому приховано несподівано щільну концентрацію темної матерії. Відкриття кластера XLSSC 122, описане в матеріалі ScienceDaily, ставить під сумнів чинні уявлення про те, як швидко у ранньому Всесвіті формувалися великомасштабні структури, та вказує на новий спосіб «бачити» невидиму темну матерію за допомогою розсіяного зоряного світла.
Найвіддаленіший кластер зі сильним гравітаційним лінзуванням
XLSSC 122 розташований на відстані близько 10,4 мільярда світлових років від Землі. Це означає, що астрономи бачать його таким, яким він був у період так званого «космічного полудня» — епохи, коли швидкість утворення зірок у галактиках була у десятки разів вищою, ніж нині.
Кластер привернув увагу науковців тим, що для такого раннього часу він виглядає вже дуже «дорослим»: має розміри та впорядковану структуру, подібні до сучасних скупчень галактик. Нові спостереження JWST показали ще одну його особливість: XLSSC 122 випадково опинився точно на лінії видимості до ще більш віддалених галактик. Потужне тяжіння кластера викривляє їхнє світло, породжуючи ефект сильного гравітаційного лінзування.
На зображеннях Вебба це проявляється як видовжені, вигнуті дуги навколо центру кластера. XLSSC 122 став найвіддаленішим відомим галактичним кластером, у якому зафіксовано таке сильне лінзування. Для астрономів це цінний інструмент: за ступенем викривлення світла можна дуже точно вимірювати масу, зокрема ту її частину, яка не світиться.
Надщільне «ядро», що не вписується в моделі
Завдяки сильному лінзуванню команда під керівництвом Кайла Фіннера (Kyle Finner) з IPAC змогла вперше настільки детально простежити розподіл маси всередині давнього кластера. Виявилося, що надзвичайно велика її частина скупчена в центральній області XLSSC 122.
За стандартними космологічними моделями настільки масивні структури мали б наростати поступово, через поєднання менших систем упродовж мільярдів років. Така сильна концентрація маси на настільки ранньому етапі космічної історії виглядає несподівано і погано узгоджується з теоретичними прогнозами.
Щоб зрозуміти природу цієї невідповідності, Фіннер і колеги провели ще два дослідження за даними JWST, першими авторами яких стали Захарі Скофілд (Zachary Scofield) та Хюнцзін Джу (Hyungjin Joo). Разом три роботи дають значно повнішу картину цього незвичайного кластера та формування скупчень галактик у період космічного полудня.
Як Вебб «бачить» темну матерію
XLSSC 122 уперше виявили ще 2014 року в рентгенівському огляді космосу за допомогою апарата XMM-Newton. Подальші спостереження телескопом «Габбл» уточнили відстань до кластера та показали, що він «зрілий» для свого віку, але чітких ознак сильного лінзування тоді не зафіксували.
Лише JWST зміг побачити характерні вигнуті дуги світла, які однозначно свідчать про сильне гравітаційне лінзування. Основним джерелом цих викривлень є не видимі зорі та газ, а темна матерія — невидима субстанція, яку неможливо безпосередньо зареєструвати за допомогою світла, але гравітаційний вплив якої підтверджений численними астрономічними спостереженнями.
У кластері, як і у Всесвіті загалом, темної матерії, за оцінками, приблизно в п’ять разів більше, ніж звичайної. Вона допомагає утримувати галактики, впливає на форму їхніх скупчень та на будову масштабної космічної павутини з філаментів і порожнин.
Сильне гравітаційне лінзування дає змогу вимірювати розподіл цієї невидимої маси, не «бачачи» її безпосередньо, й таким чином перевіряти, наскільки реальний Всесвіт відповідає космологічним моделям.
Слабке лінзування та злиття кластера
У другій роботі дослідники використали ще один вид гравітаційного лінзування — слабке. На відміну від сильного, що створює помітні дуги, слабке лінзування викликає крихітні, статистично виявні деформації форм далеких галактик.
Сильне лінзування добре «зважує» масу в центрі кластера, а слабке дозволяє простежити її розподіл на периферії. Поєднавши ці дані з рентгенівськими та радіоспостереженнями інших телескопів, команда дійшла висновку, що XLSSC 122 досі перебуває у стані злиття. Його галактики продовжують сходитися, а більша структура ще формується.
Попри цей «процес становлення», аналіз підтвердив: надзвичайно велика частка загальної маси все ж скупчена у центральній області, що знову ж таки виглядає нетипово для настільки раннього кластера.
Найдавніше внутрішньокластерне світло й «слід» темної матерії
Третє дослідження команди виявило в XLSSC 122 ще одну важливу рису — дуже тьмяне світло від зір, які вже не належать до окремих галактик. Це так зване внутрішньокластерне світло: розсіяне сяйво зір, розірваних гравітаційними взаємодіями між галактиками та викинутих у простір між ними.
Спостереження Вебба стали найдавнішим на сьогодні виявленням внутрішньокластерного світла, тож дають новий інструмент вивчення того, як розвивалися кластери галактик у далекому минулому. Широкий розподіл цього тьмяного сяйва підтверджує, що XLSSC 122 перебуває в процесі злиття: зіткнення та взаємодії галактик «розкидають» зорі за межі їхніх первинних систем.
Особливо цікавим виявився зв’язок між розподілом внутрішньокластерного світла та темної матерії. У центральній частині кластера форма цієї зоряної «димки» добре збігається з тим, як розподілена маса, визначена за сильним лінзуванням. Це означає, що тьмяне світло між галактиками може виступати своєрідним видимим маркером скупчень невидимої темної матерії.
Якщо подібну відповідність підтвердять і в інших кластерах, особливо у далеких, внутрішньокластерне світло може стати новим потужним інструментом для картування темної матерії впродовж космічної історії.
Що буде, якщо таких кластерів виявиться більше
Наступний крок для команди Фіннера — знайти й дослідити десятки інших кластерів, що виникли в подібно ранні періоди існування Всесвіту. JWST надзвичайно чутливий, але має вузьке поле зору, тому не підходить для пошуку великої кількості об’єктів на небі.
Кандидатів на такі кластери астрономи виявляють за допомогою широкопольних рентгенівських та радіооглядів — саме так свого часу знайшли XLSSC 122. Одна з перспективних методик спирається на ефект Зельдовича—Сюняєва: коли гарячі частинки в кластері розсіюють мікрохвильове випромінювання космічного фону, у карті цього фону з’являються характерні «провали».
Якщо вдасться знайти більше далеких скупчень, які, подібно до XLSSC 122, мають надзвичайно щільні ядра з темної матерії й вражаюче «дорослу» структуру, це може змусити науковців переглянути базові припущення про те, з якою швидкістю формувалися великі космічні структури.
Поки що XLSSC 122 є поодиноким, але дуже важливим тестом для наявних космологічних моделей. Лише широка вибірка подібних об’єктів покаже, чи є він рідкісним винятком, чи частиною загальнішої закономірності у ранньому Всесвіті.
Телескоп Джеймса Вебба виявив надщільне скупчення темної матерії з’явилася спочатку на Цікавості.
