COSMOS-z3.1-A viser, hvordan universets største galaksesystemer blev bygget

COSMOS-z3.1-A er et sjældent kig på en proto-superhob: den tidlige forløber for en fremtidig samling af galaksehobe. Astronomerne ser strukturen på et tidspunkt, hvor universet kun var omkring 2,1 milliarder år gammelt. Den anslås allerede at rumme cirka 5.000 gange Mælkevejens masse og kan med tiden blive tungere end Coma-hoben, en af de mest massive nærliggende galaksehobe. Det sidste er dog en modelbaseret prognose ud fra den målte overdensitet og modeller for strukturvækst – ikke en direkte måling af dens fremtidige masse. 15

En superhob under opbygning

Det internationale hold har identificeret COSMOS-z3.1-A som den fjerneste kendte forløber for en galaksesuperhob. Den er mere usædvanlig end en almindelig protohob: I stedet for at være forstadiet til én galaksehob er den et spirende, større kompleks, som forventes at udvikle sig til en samling af meget massive galaksehobe. 7

Strukturen ligner ikke en færdigdannet, kugleformet hob. Den er ujævn og består af flere tætte områder. Kernerne ligger i en ekstremt overdens del af det kosmiske netværk – universets store net af trådformede filamenter – og filamentlignende udløbere ser ud til at forbinde kernerne og føre stof ind mod dem. 14

Forskernes beregninger af den senere udvikling peger på, at COSMOS-z3.1-A og den beslægtede COSMOS-z3.1-C ved nutidens univers kan få en samlet masse på mindst (10^{15,3}) solmasser. Det vil være over Coma-hobens masse. 1

Fra et fladt billede til et tredimensionelt kort

Opdagelsen begyndte i ODIN-kortlægningen, der leder efter protohobe ved stor rødforskydning ved at bruge galakser med Lyman-alfa-emission som sporstoffer. I COSMOS-feltet brugte ODIN smalbåndsbilleder fra Dark Energy Camera, DECam, til at finde tætte koncentrationer af galakser ved rødforskydning 3,1. 335

Men galakser, der ser ud til at ligge tæt på himlen, behøver ikke ligge tæt på hinanden i rummet. Derfor fulgte holdet op med spektroskopi fra Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), GMOS-instrumentet på Gemini South og DEIMOS på Keck II. Målingerne af galaksernes rødforskydning gjorde det muligt at genskabe deres tredimensionelle fordeling – og dermed afsløre både de tætte kerner og deres større omgivelser. 135

Metoden gjorde også filamenterne synlige gennem placeringen af de galakser, der bruges som sporstoffer. Resultatet er altså ikke blot en liste over meget fjerne galakser, men et kort over et stort miljø, der stadig er ved at tage form. 1

Et billede af universets vækst nedefra og op

I den moderne kosmologi dannes struktur hierarkisk: Små koncentrationer af stof opstår først, hvorefter de smelter sammen og tiltrækker mere materiale, så de gradvist bliver til større systemer. COSMOS-z3.1-A passer med dette billede. Her ses flere strukturer under udvikling, indlejret i et net af filamenter, snarere end én moden galaksehob. 17

Placeringen ved mødet mellem filamenterne er væsentlig. Filamenterne kan lede galakser og stof ind mod tætte knudepunkter og hjælpe proto-superhobens separate dele med at vokse over kosmisk tid. Fundet er derfor et særligt tidligt eksempel på mellemfaserne mellem mindre protohobe og de største galaksesystemer, vi ser i det nære univers. 14

Sammenhængen med JWST's fund af "skjulte" stjerner

COSMOS-z3.1-A handler om væksten af storskalamiljøer: mørkt-stof-rige områder, galaksegrupper, filamenter og protohobe. Et separat resultat fra James Webb-rumteleskopet (JWST) handler derimod om stjernepopulationerne inde i enkelte, tidlige galakser.

I JWST-undersøgelsen fandt forskere tegn på, at ni massive galakser i det tidlige univers kan rumme langt flere svage stjerner med lav masse end normalt antaget. Sådanne stjerner bidrager med betydelig masse, men udsender kun lidt lys. Derfor kan nogle af galaksernes beregnede stjernemasser være tre til fire gange højere end tidligere vurderet; i det mest ekstreme rapporterede tilfælde nærmer forskellen sig en faktor fire. 192027

De to fund supplerer hinanden, men det ene forklarer ikke automatisk det andet. En proto-superhob, der forsynes via filamenter, er et sandsynligt miljø for hurtig opbygning af galakser. En stjernetung population af små, svage stjerner ændrer samtidig vurderingen af, hvor meget stjernemasse der kan gemme sig i nogle af galakserne. At forklare både den hurtige opbygning af tætte miljøer og den præcise blanding af stjerner i deres galakser er fortsat en central udfordring for modeller af det tidlige univers. 11722

Næste skridt: flere kandidater, men stadig brug for spektroskopi

Vera C. Rubin-observatoriet er gået i gang med Legacy Survey of Space and Time (LSST), og en tidlig videnskabelig dataudgivelse fra LSST-kameraet omfattede dybe observationer af COSMOS-feltet. 3336

Rubins brede og dybe billeddata kan hjælpe med at finde flere kandidater til fjerne overdensiteter på tværs af store himmelområder. Spektroskopi vil dog fortsat være afgørende: Kun præcise rødforskydninger kan afgøre, om en galakseansamling er en virkelig tredimensionel proto-superhob eller blot galakser, der tilfældigvis ligger tæt sammen på et todimensionelt billede. COSMOS-z3.1-A viser styrken i at kombinere store billedkortlægninger med både bred og målrettet spektroskopi. 13