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

COSMOS-z3.1-A er et sjeldent innblikk i en proto-superhop: et tidlig anlegg til en framtidig samling av galaksehoper. Lyset vi ser, kommer fra en tid da universet bare var rundt 2,1 milliarder år gammelt. Astronomene anslår at strukturen allerede har en masse på om lag 5 000 ganger Melkeveiens masse. Den kan med tiden bli mer massiv enn Comahopen, en av de største kjente galaksehopene i det nære universet. Dette er imidlertid et modellbasert anslag ut fra den målte overtettheten og modeller for strukturvekst – ikke en direkte måling av den framtidige massen. 15

Mer enn en vanlig protohop

Det internasjonale forskerlaget identifiserte COSMOS-z3.1-A som den fjerneste kjente forløperen til en galaksesuperhop. En proto-superhop er enda sjeldnere enn en protohop: Den er et tidlig stadium av et større system som etter hvert kan bli en samling av massive galaksehoper. 7

COSMOS-z3.1-A framstår ikke som en ferdigdannet, rund og rolig galaksehop. Den er klumpete og uregelmessig, med flere svært tette områder. Kjernene ligger i en ekstraordinært overdens region der filamenter i det såkalte kosmiske nettet møtes. Filamentlignende utløpere ser ut til å koble seg til kjernene og føre materie inn mot dem. 14

Forskergruppens anslag for etterkommerne av strukturene tyder på at både COSMOS-z3.1-A og COSMOS-z3.1-C ved rødforskyvning null – altså i dagens univers – kan få en samlet masse større enn Comahopen. Studien oppgir estimerte framtidige masser på minst (10^{15,3}) solmasser for disse ekstreme systemene. 1

Fra et flatt bilde til et tredimensjonalt kart

Oppdagelsen begynte i ODIN-kartleggingen, som leter etter protohoper med høy rødforskyvning ved å bruke galakser som sender ut Lyman-alfa-stråling som sporstoffer. I COSMOS-feltet brukte ODIN smalbåndsbilder fra Dark Energy Camera (DECam) for å finne konsentrasjoner av galakser ved rødforskyvning 3,1. 335

En ansamling på himmelen alene er ikke nok til å vise at galaksene faktisk hører til samme fysiske struktur. Derfor kombinerte teamet bildene med spektroskopiske observasjoner fra Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), GMOS-instrumentet ved Gemini South og DEIMOS-instrumentet ved Keck II. Målingene av rødforskyvning gjorde det mulig å rekonstruere galaksenes fordeling i tre dimensjoner og avdekke både de tette kjernene og miljøet rundt dem. 135

Metoden gjorde også filamentene synlige gjennom galaksenes fordeling. Resultatet er altså ikke bare en liste over svært fjerne galakser, men et kart over et stort kosmisk miljø under oppbygging. 1

Et eksempel på universets «nedenfra og opp»-vekst

I moderne kosmologi vokser store strukturer hierarkisk: Små konsentrasjoner av materie dannes først, og blir deretter slått sammen og tilført mer materiale. Slik bygges stadig større systemer. COSMOS-z3.1-A passer med dette bildet, fordi den består av flere strukturer i utvikling inne i et nettverk av filamenter, ikke én ferdig, moden galaksehop. 17

Plasseringen ved møtepunkter i det kosmiske nettet er særlig viktig. Filamentene kan fungere som transportårer som leder galakser og materie mot tette knutepunkter. Over kosmisk tid kan dette hjelpe de enkelte delene av proto-superhopen med å vokse sammen til et langt mer massivt system. Observasjonen gir dermed et uvanlig tidlig bilde av overgangen fra mindre protohoper til de aller største galaksehopesystemene vi ser i nærheten i dag. 14

Hva funnet har – og ikke har – med JWSTs «skjulte stjerner» å gjøre

COSMOS-z3.1-A handler om veksten av storskalamønstre: mørk materie-rike områder, galaksegrupper, filamenter og protohoper. Et separat resultat fra James Webb-romteleskopet (JWST) gjelder derimot stjernepopulasjonene inne i individuelle, tidlige galakser.

I JWST-studien undersøkte forskere ni massive galakser fra det tidlige universet og fant tegn til langt flere svake stjerner med lav masse enn man vanligvis har lagt til grunn. Slike stjerner bidrar mye til den samlede massen, men lite til lyset. Enkelte tidligere anslag for stjernemasse kan derfor være tre til fire ganger for lave; i det mest ekstreme tilfellet nærmet forskjellen seg en faktor på fire. 192027

De to funnene utfyller hverandre, men det ene forklarer ikke det andre. En proto-superhop som mates av filamenter kan være et sannsynlig miljø for rask oppbygging av galakser. En stjernepopulasjon med uvanlig mange lavmassestjerner endrer samtidig hvor mye stjernemasse som kan være skjult i enkelte galakser. Å forklare både den raske veksten av tette miljøer og den detaljerte sammensetningen av stjernene i galaksene deres er fortsatt en sentral utfordring for modeller av det tidlige universet. 11722

Neste kapittel: Rubin-observatoriet

Vera C. Rubin-observatoriet har startet Legacy Survey of Space and Time (LSST). Den første vitenskapsrettede datautgivelsen fra LSST-kameraet omfattet også dype observasjoner av COSMOS-feltet. 3336

Brede og dype bilder fra Rubin kan gjøre det mulig å finne flere kandidater til overdense områder med høy rødforskyvning over store deler av himmelen. Spektroskopi vil likevel fortsatt være avgjørende: Bare presise rødforskyvninger kan skille en reell proto-superhop i tre dimensjoner fra galakser som tilfeldigvis ser ut til å ligge nær hverandre i et todimensjonalt bilde. Arbeidet med COSMOS-z3.1-A viser verdien av å kombinere vidvinklet avbildning med både bred og målrettet spektroskopi. 13