COSMOS-z3.1-A on kaukaisin tunnettu alkuvaiheen supergalaksijoukko

COSMOS-z3.1-A on harvinainen näkymä alkuvaiheen supergalaksijoukkoon: tulevan galaksijoukkojen muodostaman jättirakenteen esiasteeseen. Sen valo on peräisin ajalta, jolloin maailmankaikkeus oli vain noin 2,1 miljardin vuoden ikäinen. Rakenteen massaksi arvioidaan noin 5 000 Linnunradan massaa, ja se voi kasvaa nykymaailmankaikkeudessa Coman galaksijoukkoa massiivisemmaksi. Kyse on kuitenkin havaittuun ylitiheyteen ja rakenteiden kasvumalleihin perustuvasta ennusteesta, ei suorasta mittauksesta sen tulevasta massasta. 15

Kyse ei ole yhdestä valmiista galaksijoukosta

Kansainvälinen tutkimusryhmä tunnisti COSMOS-z3.1-A:n kaukaisimmaksi tunnetuksi galaksien superjoukon esiasteeksi. Se on vielä harvinaisempi kohde kuin protogalaksijoukko: kyseessä on kehittyvä, laajempi kokonaisuus, jonka odotetaan ajan myötä muodostavan useiden massiivisten galaksijoukkojen järjestelmän. 7

Rakennetta ei nähdä yhtenäisenä ja tasapainottuneena galaksipallona. Se on pikemminkin paakkuinen ja epäsäännöllinen kokonaisuus, jonka tiheät ytimet sijaitsevat poikkeuksellisen ylitiheällä alueella kosmisen verkon säikeiden risteyskohdissa. Ytimiin näyttäisi liittyvän säiemäisiä jatkeita, jotka kuljettavat niihin galakseja ja ainetta. 14

Tutkijoiden jälkeläismassa-arvioiden mukaan COSMOS-z3.1-A ja toinen äärimmäinen rakenne, COSMOS-z3.1-C, voivat kasvaa nykyhetkeen mennessä Coman galaksijoukkoa massiivisemmiksi. Tutkimuksessa niiden tulevaksi kokonaismassaksi arvioidaan vähintään (10^{15,3}) Auringon massaa. 1

Näin kaksiulotteinen tihentymä muuttui 3D-kartaksi

Löytö alkoi ODIN-kartoituksesta, jossa etsitään kaukaisia protogalaksijoukkoja Lyman-alfa-säteilyä lähettävien galaksien avulla. ODIN hyödynsi COSMOS-kentässä kapeakaistakuvausta ja Dark Energy Cameraa (DECam) tunnistaakseen galaksikeskittymiä punasiirtymällä 3,1. 335

Taivaalla näkyvä galaksien keskittymä ei yksin osoita, että galaksit todella ovat samassa kolmiulotteisessa rakenteessa. Siksi ryhmä täydensi havaintoja spektroskopialla: käytössä olivat Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), Gemini South -teleskoopin GMOS-laite ja Keck II -teleskoopin DEIMOS-laite. Galaksien punasiirtymät mahdollistivat niiden etäisyyksien ja siten avaruudellisen jakauman rekonstruoinnin. Näin näkyviin saatiin sekä tiheät ytimet että niitä ympäröivä laaja rakenne. 135

Menetelmä teki kosmisen verkon säikeet havaittaviksi galaksien jakautumisen kautta. Tuloksena ei siis ole vain luettelo poikkeuksellisen kaukaisista galakseista, vaan kartta kehittyvästä suuren mittakaavan ympäristöstä. 1

Miksi havainto tukee hierarkkista kasvua

Nykykosmologian mukaan rakenteet syntyvät hierarkkisesti: pienemmät ainekeskittymät muodostuvat ensin, minkä jälkeen ne sulautuvat ja keräävät lisää ainetta yhä suuremmiksi kokonaisuuksiksi. COSMOS-z3.1-A sopii tähän kuvaan, sillä siinä näkyy useita kehittyviä osia kosmisen verkon säikeiden sisällä – ei yksi valmiiksi muodostunut galaksijoukko. 17

Sijainti säikeiden risteyksessä on keskeinen havainto. Säikeet voivat ohjata galakseja ja ainetta tiheisiin solmukohtiin, jolloin erillisistä protogalaksijoukoista voi vähitellen muodostua massiivisempi järjestelmä. COSMOS-z3.1-A tarjoaa siksi erittäin varhaisen esimerkin vaiheesta, joka sijoittuu pienempien protogalaksijoukkojen ja lähimaailmankaikkeuden suurimpien joukkojärjestelmien väliin. 14

Mitä yhteistä tällä on JWST:n ”piilotähtien” löydön kanssa?

Yhteys on kiinnostava, mutta tulokset käsittelevät eri asioita. COSMOS-z3.1-A kertoo laajamittaisista ympäristöistä – pimeän aineen hallitsemista ylitiheyksistä, galaksiryhmistä, säikeistä ja protogalaksijoukoista. James Webb -avaruusteleskoopin (JWST) erillinen tulos koskee puolestaan yksittäisten varhaisten galaksien tähtipopulaatioita.

JWST-tutkimuksessa tarkasteltiin yhdeksää massiivista varhaista galaksia. Havaintojen perusteella niissä saattaa olla oletettua paljon enemmän himmeitä, pienimassaisia tähtiä. Tällaiset tähdet tuottavat vähän valoa mutta voivat yhdessä muodostaa merkittävän osan galaksin massasta. Siksi joidenkin galaksien tähtimassa voisi olla aiempia arvioita kolmesta neljään kertaa suurempi; äärimmäisimmässä raportoidussa tapauksessa lisäys lähestyi nelinkertaista arvoa. 192027

Tulokset täydentävät toisiaan, mutta kumpikaan ei yksin selitä toista. Säikeiden ruokkima alkuvaiheen supergalaksijoukko tarjoaa uskottavan ympäristön nopealle galaksien kokoontumiselle. Pienimassaisten tähtien suuri määrä taas muuttaa arviota siitä, kuinka paljon tähtimassaa joihinkin galakseihin voi kätkeytyä. Sekä tiheiden ympäristöjen nopea rakentuminen että niiden galaksien tähtien tarkka jakauma ovat edelleen keskeisiä haasteita varhaisen maailmankaikkeuden malleille. 11722

Seuraavat kartat voivat paljastaa lisää vastaavia kohteita

Vera C. Rubin -observatorio on käynnistänyt Legacy Survey of Space and Time -kartoituksen eli LSST:n. Sen ensimmäiseen tieteelliseen LSST-kameran datajulkaisuun sisältyi syviä havaintoja myös COSMOS-kentästä. 3336

Rubinin laaja ja syvä kuvausaineisto voi auttaa löytämään lisää ehdokkaita kaukaisiksi ylitiheyksiksi suurilta taivaan alueilta. Spektroskopia säilyy silti välttämättömänä: vain tarkat punasiirtymämittaukset voivat erottaa aidon kolmiulotteisen alkuvaiheen supergalaksijoukon galakseista, jotka sattuvat näyttämään lähekkäisiltä kaksiulotteisessa taivaskuvassa. COSMOS-z3.1-A osoittaa, kuinka tehokas yhdistelmä laajaa kuvantamista sekä kattavaa ja kohdennettua spektroskopiaa on. 13