Астрономи повідомили про виявлення надзвичайно густого протокластера галактик на червоному зсуві z=3 — епохи, коли Всесвіту було лише близько 2,2 мільярда років. Структуру, яка отримала прізвисько «Крок» (The Step), знайшли навколо відомого об'єкта SDSS J165202.64+172852.3 — потужного червоного квазара, що одночасно демонструє бурхливе зореутворення (так званий starburst). Дослідження проведене за допомогою космічного телескопа James Webb і його інструмента NIRISS у режимі широкопольної безщілинної спектроскопії (WFSS).

Метод безщілинної спектроскопії дозволяє одночасно отримувати спектри великої кількості об'єктів у полі зору, без потреби наводити щілину спектрографа на кожну галактику окремо. Саме це дало змогу швидко визначити точні червоні зсуви десятків галактик навколо квазара і побудувати тривимірну карту їхнього розташування у просторі та швидкостях.

Дві підгрупи і можливе злиття гало

У результаті аналізу дослідники підтвердили щонайменше 18 галактик-членів протокластера. Незвичним виявився розподіл цих галактик у просторі положення-швидкості: він чітко розділяється на дві підгрупи, які утворюють характерну "східчасту" картину — звідси і назва структури. Автори роботи припускають, що це може бути ознакою злиття двох окремих темних гало, які ще не встигли повністю об'єднатися.

На підтримку цієї гіпотези свідчить і значний розкид швидкостей галактик уздовж найгустішої лінії прицілювання — від 700 до 850 км/с. Такий великий діапазон швидкостей важко пояснити, якщо всі галактики належать одній вже сформованій динамічно стабільній системі, а ось злиття двох гало — цілком природне пояснення.

Рекордна густина в ядрі

Найвражаючий результат дослідження — щільність галактик у центральній частині структури. Уздовж найгустішої лінії прицілювання дослідники нарахували сім галактик у межах усього 70 кілопарсек проекційної відстані від квазара. Це відповідає надлишку густини галактик понад 100 разів порівняно з середнім значенням для Всесвіту цієї епохи, а в межах більшої ділянки в 1 квадратний мегапарсек надлишок все ще перевищує 15 разів.

Це один з найгустіших відомих протокластерів на цьому червоному зсуві.

За оцінками авторів, повна маса темної матерії, пов'язаної зі структурою, становить від 10^13,1 до 10^13,8 мас Сонця. Це вже маса, характерна для зрілих скупчень галактик у сучасному Всесвіті. Якщо структура продовжить накопичувати масу за очікуваними темпами росту, до z=0 вона потенційно могла б перетворитися на масивне скупчення, подібне до відомого скупчення Волосся Вероніки (Coma Cluster) — одного з найбільших скупчень у сусідньому Всесвіті.

Зореутворення, "згаслі" галактики та активні ядра

Попри свою густину, галактики протокластера "Крок" не демонструють якогось надзвичайного вибуху зореутворення. Порівняно з галактиками поля (тобто типовими галактиками цієї епохи поза щільними структурами), тут спостерігається лише незначне підвищення рівня зореутворення. А порівняно з іншими вже відомими протокластерами на z=3 темпи зореутворення в "Кроці" виявилися подібними або навіть трохи нижчими.

Цікаво, що серед членів протокластера дослідники знайшли дві галактики з сильним "розривом на 4000 ангстремах" (D4000 break) — спектральною ознакою, яка вказує на населення старих зірок і відсутність триваючого зореутворення. Ці галактики вже фактично "згасли", хоча Всесвіту на той момент було лише близько 2 мільярдів років. Крім того, у полі знайдено два нові кандидати в активні галактичні ядра (AGN), а загальна оцінена частка AGN серед членів протокластера становить 10-20% — це помітно вище, ніж у середньому серед галактик поля.

Чому це важливо

Поєднання в одній структурі і активних зореутворюючих галактик, і вже згаслих, і підвищеної частки активних ядер робить "Крок" показовим прикладом протокластера в перехідній стадії розвитку. Автори наголошують, що подібні структури на червоних зсувах від 2 до 4 — це поки що невеликий, але зростаючий список знахідок, які одночасно містять і зореутворюючі, і "згаслі" галактики.

Цей діапазон червоних зсувів може бути ключовою епохою для розуміння еволюції скупчень галактик: саме тоді щільні надгустоти, схоже, переходять від ролі найактивніших "кузень" нових зірок у ранньому Всесвіті до ролі середовища, яке формує масивні згаслі еліптичні галактики — саме такі, які астрономи спостерігають сьогодні в ядрах близьких масивних скупчень. "Крок" дає рідкісну можливість спостерігати цей перехід безпосередньо, поки він ще триває.