Tähtitieteilijät ovat havainneet varhaisen maailmankaikkeuden kaukaisen galaksijoukon syntymää

eso2304fi — Tutkimustiedote – suomennos Pasi Nurmi

Tähtitieteilijät ovat löytäneet Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) avulla suuren kuuman kaasun reservin kehittymässä olevassa galaksijoukossa Hämähäkkiverkkogalaksin (Spiderweb galaxy) ympäriltä. ESO on ALMA:n kumppani. Tämä on toistaiseksi kaukaisin tällaisesta kuumasta kaasusta tehty havainto. Galaksijoukot ovat maailmankaikkeuden suurimpia kohteita, ja tänään Naturessa julkaistu tulos selvittää, kuinka aikaisin nämä rakenteet alkoivat muodostumaan.

Kuva esittää Hämähäkinverkko-galaksin ympärillä olevaa protojoukkoa aikana, jolloin maailmankaikkeus oli vain kolme miljardia vuotta vanha. Suurin osa protoklusterin massasta ei sijaitse galakseissa, jotka näkyvät kuvan keskipisteessä, vaan kaasussa, joka tunnetaan joukon sisäisenä väliaineena. ICM:n kuuma kaasu näkyy kuvassa sinisenä pilvenä.

Kuuma kaasu havaittiin ALMA:lla, jonka kumppani ESO on. Kun valo kosmisesta mikroaaltotaustasäteilystä kulkee ICM:n läpi, se saa energiaa ollessaan vuorovaikutuksessa kuuman kaasun elektronien kanssa. Tätä kutsutaan Sunyaev-Zeldovichin efektiksi. Tutkimalla tätä vaikutusta tähtitieteilijät voivat päätellä, kuinka paljon kuumaa kaasua ICM:ssä on, ja osoittaa, että Hämähäkinverkko-protojoukosta on tulossa valtava joukko, jota sen oma painovoima pitää kasassa. Kuva ESO/Di Mascolo et al.; HST: H. Ford.

Nimensä mukaisesti galaksijoukoissa on suuri määrä galakseja — joskus jopa tuhansia. Niissä on myös valtava määrä joukon sisäistä kaasua (ICM), joka täyttää galaksien välisen tilan. Kaasua on itse asiassa huomattavasti enemmän kuin galaksien massa yhteensä. Galaksijoukkojen fysiikka ymmärretään yleisesti hyvin, mutta havaintoja joukon sisäisen aineen varhaisimmista muodostumisvaiheista on edelleen niukasti.

ICM:a oli tutkittu aikaisemmin vain jo täysin kehittyneissä galaksijoukoissa. ICM:n havaitseminen kaukaisissa protoklustereissa, jotka ovat yhä muodostumassa olevia galaksiryhmiä, antaisi tähtitieteilijöille mahdollisuuden tutkia joukkoja niiden kehityksen alkuvaiheessa. Italialaisen Triesten yliopiston tutkijan Luca Di Mascolon johtama ryhmä oli innokas havaitsemaan maailmankaikkeuden varhaisen vaiheen protojoukoissa olevaa ICM:a. Luca Di Mascolo on tässä esitellyn tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja.

Galaksijoukot ovat niin massiivisia, että ne voivat kerätä yhteen kaasua, joka kuumenee sen pudotessa joukkoon. "Kosmologiset simulaatiot ovat ennustaneet protojoukkojen kuuman kaasun olemassaolon jo yli vuosikymmenen ajan, mutta tätä ei olla vahvistettu havaintojen avulla", kertoi Elena Rasia, tutkija Italian National Institute for Astrophysics -instituutissa (INAF) Triestessä ja yksi tutkimuksen tekijöistä. "Näin keskeisen vahvistuksen saaminen johti siihen, että valitsimme huolellisesti yhden lupaavimmista protojoukko ehdokkaista".

Kohde oli Hämähäkkiverkko-protoklusteri, joka sijaitsee aikakaudella, jolloin Universumi oli vain kolme miljardia vuotta vanha. Vaikka joukkoa oli tutkittu erittäin paljon, niin galaksijoukon sisäisen aineen havainnot olivat jääneet tekemättä. Jos Hämähäkkiverkkojoukosta löytyisi suuri määrä kuumaa kaasua, se osoittaisi, että järjestelmästä on tulossa kunnollinen, pitkäikäinen galaksijoukko sen sijaan, että se hajoaisi.

Di Mascolon tutkimusryhmä havaitsi Hämähäkkiverkko-protojoukon sisäistä ainetta Thermal Sunyaev-Zeldovich ilmiön avulla. Ilmiö tapahtuu, kun kosminen mikroaaltotaustasäteily kulkee ICM:n läpi. Kun säteily vuorovaikuttaa kuuman kaasun nopeasti liikkuvien elektronien kanssa, se saa hieman lisää energiaa ja sen väri, eli aallonpituus muuttuu hieman. "Tietyillä aallonpituuksilla SZ-efekti näkyy näin ollen varjostavana vaikutuksena galaksijoukon kosmiselle mikroaaltotaustasäteilylle", kertoi Di Mascolo.

Mittaamalla näitä kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn varjoja, tähtitieteilijät pystyvät päättelemään onko kuumaa kaasua olemassa, arvioimaan sen massan ja kartoittaa sen muotoa. "ALMA on vertaansa vailla oleva havaintolaite, ja sen resoluution ja herkkyyden ansiosta ainoa tutkimuslaitos, joka pystyy tällä hetkellä tekemään tällaisia mittauksia massiivisten joukkojen kaukaisista esiasteista", sanoi Di Mascolo.

Tutkijat havaitsivat, että Hämähäkkiverkko-protojoukossa on valtava kuuman kaasun reservi muutaman kymmenen miljoonan asteen lämpötilassa. Tässä protojoukossa oli aiemmin havaittu olevan kylmää kaasua, mutta tässä uudessa tutkimuksessa havaittu kuuman kaasun massa on tuhansia kertoja suurempi. Tämä havainto osoittaa, että Hämähäkkiverkko-protojoukon odotetaan todellakin kehittyvän valtavaksi galaksijoukoksi noin kymmenessä miljardissa vuodessa ja kasvattavan massaansa ainakin kymmenkertaiseksi.

Yksi artikkelin kirjoittajista ja ESO-tutkija Tony Mroczkowski kertoi, että "tämä järjestelmä pitää sisällään suuria vastakohtia. Järjestelmän kehittyessä kuuma komponentti tulee tuhoamaan suuren osan kylmästä komponentista, ja olemme nyt havaitsemassa herkkää muutosta". Hän totesi lopuksi: "Tämä havainto vahvistaa pitkään tunnetut teoreettiset ennusteet, jotka koskevat maailmankaikkeuden suurimpien gravitaation sitomien kohteiden muodostumista."

Nämä tulokset auttavat ALMAn ja ESO:n tulevan Extremely Large Telescopen, eli ELT:n välisen synergian kehittämisessä. "ELT mullistaa Hämähäkkiverkkojoukon kaltaisten rakenteiden tutkimuksen", sanoi tutkimuksen tekijä ja tutkija Mario Nonino Triesten tähtitieteellisestä observatoriosta. ELT ja sen huipputason instrumentit, kuten HARMONI ja MICADO, voivat kurkistaa protojoukkojen sisälle ja saada niiden galakseista yksityiskohtaista tietoa. ALMA:n kyky galaksijoukon sisäisen aineen muodostumisen jäljittämiseen yhdistettynä ELT:n havaintomahdollisuuksiin tulee olemaan ratkaisevassa roolissa varhaisen maailmankaikkeuden suurimpien rakenteiden kehittymisen tutkimuksessa.

 

Lisätietoa

Tässä tehty tutkimus on julkaistu artikkelissa: “Forming intracluster gas in a galaxy protocluster at a redshift of 2.16”, joka ilmestyy Nature (doi: 10.1038/s41586-023-05761-x) julkaisusarjassa.