Астрономи виявили найвіддаленіший відомий предок «скупчення скупчень» галактик — величезну структуру, яку спостерігали, коли Всесвіту було лише 2,1 мільярда років. Відкриття підтверджує наявні теорії про те, як формуються й розвиваються галактичні скупчення, та показує, як вони пов'язані з масштабнішою космічною павутиною.

Галактичні скупчення — найбільші гравітаційно зв'язані структури Всесвіту, що об'єднують сотні й тисячі галактик і простягаються на мільйони світлових років. Ті скупчення, які ми бачимо порівняно близько до нас, — це вже зрілі структури, що виникли з протоскупчень: розлогих, слабко зв'язаних груп галактик, які ще перебувають у процесі злиття.

Огляд ODIN та три спектрографи для побудови 3D-карти

Команда під керівництвом Вандани Рамакрішнан, на момент дослідження аспірантки Університету Пердью, використала дані огляду One-hundred-deg2 DECam Imaging in Narrowbands (ODIN). Огляд проводився камерою DECam, встановленою на 4-метровому телескопі Віктора Бланко в обсерваторії Серро-Тололо в Чилі. Завдяки широкому полю зору й роздільній здатності 570 мегапікселів DECam понад 100 ночей за останні три роки знімала велику ділянку неба Південної півкулі.

Загалом команда виявила 150 віддалених протоскупчень, що сформувалися, коли Всесвіту було приблизно 1–3 мільярди років. Дослідники зосередилися на двох структурах із помітною надлишковою густиною галактик — COSMOS-z3.1-A і COSMOS-z3.1-C. Огляд ODIN дав лише двовимірні координати цих об'єктів на небі, тому для розуміння їхньої справжньої форми і зв'язку з космічною павутиною знадобилася тривимірна реконструкція.

Щоб побудувати 3D-карти, до Рамакрішнан приєдналися аспіранти Бьонха Мун (Корейський астрономічний і космічний науковий інститут) та Ніколь Файрстоун (Ратгерський університет). Більшість спектрів отримали за допомогою інструмента DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) — потужного багатооб'єктного спектрографа, здатного одночасно вимірювати відстань до 5000 галактик. DESI встановлено на 4-метровому телескопі Ніколаса Майєлла в обсерваторії Кітт-Пік в Аризоні. Додаткові спектри отримали за допомогою спектрографа GMOS на телескопі «Джемінай Південний» у Чилі та спектрографа DEIMOS на телескопі Кека II на Мауна-Кеа на Гаваях.

Наймасивніша структура своєї епохи

Побудовані 3D-карти дозволили передбачити, у які скупчення перетворяться COSMOS-z3.1-A і COSMOS-z3.1-C. Обидві структури мають стати масивнішими за найбільше відоме скупчення сучасного Всесвіту — скупчення Волосся Вероніки.

Понад те, COSMOS-z3.1-A виявилося чимось рідкіснішим за звичайне протоскупчення — це протоскупчення скупчень, тобто зародок справжнього «скупчення скупчень» галактик. Спостережене у той момент, коли Всесвіту було лише 2,1 мільярда років, це наразі найдавніше й найвіддаленіше з відомих протоскупчень такого типу. Його маса оцінюється у 5000 мас Чумацького Шляху.

COSMOS-z3.1-A являє собою найекстремальнішу, найгустішу область Всесвіту. Ми вважаємо, що на кожні 10 000 скупчень галактик припадає менш ніж один такий об'єктВандана Рамакрішнан, Університет Пердью

Детальні 3D-карти показали, що ці давні протоскупчення мають клаптикову, нерівну форму і розташовані на перетинах кількох ниток космічної павутини. Це перше пряме спостереження такої структури на настільки великій відстані, і воно узгоджується з тим, що моделі передбачають про розподіл речовини у Всесвіті.

Сучасні моделі формування структур описують процес як «знизу вгору»: спочатку виникають дрібні згустки речовини, які поступово зливаються, утворюючи дедалі масштабніші структури. Клаптикова підструктура, помітна на 3D-картах, імовірно, є прямим свідченням саме такого росту. З часом ці клаптики зіллються, а протоскупчення перетворяться на округліші скупчення, подібні до тих, що спостерігаються у нашому Всесвіті сьогодні.

Що далі: обсерваторія Рубін

Завдяки широкому охопленню й глибині зображень огляд ODIN добре підходить для пошуку нових подібних масивних структур у далекому Всесвіті. Методологія тривимірної реконструкції, яку розробила команда, дозволяє чітко відрізняти щільні ядра протоскупчень від їхніх периферій та ниток космічної павутини, що живлять ці структури.

Дослідники очікують на нові відкриття протягом наступного десятиліття, коли обсерваторія Vera C. Rubin проводитиме огляд Legacy Survey of Space and Time (LSST). Знімаючи все небо Південної півкулі кожні кілька днів, Рубін створить масив даних, який доповнить глибокі зображення ODIN для тієї самої ділянки неба. Разом ці дані дадуть детальну картину як близького, так і далекого Всесвіту, дозволяючи вивчати еволюцію галактичних скупчень протягом усієї космічної історії.