Вселенная поражает своими огромными и сложными структурами. Одним из ярких примеров — это галактическое скопление «Эль Гордо» общей массой эквивалентной примерно три квадриллионам Солнц. Ранее его рассматривали с помощью телескопов, включая «Хаббл», но в 2023 году ученым удалось узнать о нем больше благодаря наблюдениям через космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST).
Возникновение сложных структур во Вселенной
Под воздействием темной материи миллиарды лет во Вселенной развиваются гигантские структуры. Эти уникальные образования напоминают огромные паутинные нити и получили название филаменты. В точках их пересечения происходит образование плотных скоплений галактик.
Темная материя играет ключевую роль в процессе формирования галактик, в то время как обычная материя, из которой, например, состоит Земля, участвует в данном процессе лишь весьма ограниченно.
При увеличении масштаба наблюдения, мельчайшие детали этих космических структур исчезают или «сглаживаются», подобно тому как при рассмотрении картины издалека виден лишь общий контур, в то время как приближение позволяет разглядеть каждый мазок кисти художника.
Несмотря на неуклонное расширение Вселенной, галактики продолжают двигаться навстречу друг другу, притягиваемые невидимыми нитями гравитации. В результате этого движения они сливаются, формируя все более крупные и сложные структуры.
Галактическое скопление «Кома»
«Кома» — одно из наиболее крупных галактических скоплений, подвергшееся тщательному изучению с использованием последних достижений космической и наземной астрономии. Инфракрасные данные о скоплении были получены благодаря космической обсерватории Спитцер, а визуальные — с помощью Слоановского цифрового обзора неба.
В фокусе внимания скопления «Кома» находятся две гигантские эллиптические галактики, которые в свою очередь окружены свыше тысячи галактик разнообразных типов. Анализ скоростей, с которыми галактики движутся в пределах данного скопления, дает возможность установить его общую массу. Сегодняшний день дает понять, что гигантские скопления, масса которых в тысячи раз превосходит массу Млечного Пути, уже не являются редкостью.
Изучив различные галактические скопления, в числе которых и «Кома», ученые пришли к выводу, что наиболее массивные и сложно организованные структуры Вселенной начали формироваться преимущественно в поздние космические эпохи.
«Эль-Гордо» — галактическое скопление массой три квадриллиона Солнц
Среди объектов первой половины нашей космической истории выделяют Эль-Гордо. Композитный снимок 2014 года от телескопа «Хаббл» демонстрирует сталкивающиеся галактики в скоплении «Эль Гордо». Его официальное название — ACT-CLJ0102-4915. «Эль Гордо» наиболее термически активное и светящееся из всех известных скоплений во Вселенной.
На представленной карте изображено галактическое скопление «Эль-Гордо», зафиксированное телескопом «Хаббл», с наложенным слоем, отражающим распределение массы. Расчет массы был выполнен на основе комбинированного анализа слабых и сильных эффектов гравитационного линзирования.
Дополнительные исследования выявили, что «Эль-Гордо» является результатом слияния двух менее крупных скоплений. Общая масса этого объединенного скопления варьируется в пределах от 2,1 до 3,0 квадриллионов (10^15) солнечных масс.
«Эль Гордо» — самое массивное из всех известных скоплений галактик, которое подтверждает разделение темной и обычной материи при столкновении галактических скоплений, аналогично другим подобным структурам. Если бы только обычная материя отвечала за гравитационные эффекты, то они были бы нелокальными: гравитация была бы присутствовать там, где фактически отсутствует масса или материя.
На составном изображении «Хаббл»/JWST ярко выделены объекты скопления Эль-Гордо, подтвержденные спектроскопически. На втором изображении представлены объекты, видимые исключительно для JWST, которые оставались невидимыми для «Хаббла»
Представленное изображение, дополненное указателями направлений компаса, масштабной линейкой и цветовым ключом, открывает взгляд телескопа James Webb Space Telescope (JWST) на «Эль-Гордо». С применением фильтра NIRCam удалось выявить множество объектов и особенностей, которые до этого момента оставались незамеченными для всех прочих обсерваторий, включая «Хаббл».
Обнаружение глубоких галактик
Воспользовавшись уникальными возможностями JWST, астрономам удалось обнаружить ряд далеких галактик, демонстрирующих эффект гравитационного линзирования. Аннотированная карта галактического скопления «Эль-Гордо», составленная на основе данных, полученных с помощью JWST, раскрывает множество гравитационных линз на фоне, что подтверждается соответствующими аннотированными метками.
Большинство этих особенностей до недавнего времени оставались недоступными для визуального восприятия, однако стали видимыми благодаря уникальной чувствительности JWST к красному смещению и увеличивающим эффектам, создаваемым «Эль-Гордо». Дуги, полосы и множественные изображения были раскрыты в ходе наблюдений.
Объекты, расположенные на заднем плане — будь то звезды, галактики или скопления галактик — подвергаются искажениям под воздействием массы объектов на переднем плане, что происходит через эффект слабого гравитационного линзирования. Несмотря на присутствующий шум, эффект линзирования можно однозначно идентифицировать. Скопление галактик «Эль-Гордо» наглядно демонстрирует данный эффект. Изображения, полученные с помощью телескопов «Хаббл» и JWST, позволяют нам создать карту распределения массы в этом скоплении.
Высокоточные измерения фоновых галактик способствовали созданию более детализированной карты массы и линзирования.
На изображении скопление галактик «Эль-Гордо» воспринимается в двух интерпретациях: цветовая палитра отражает плотность массы, основанную на данных гравитационного линзирования, в то время как черные контуры иллюстрируют рентгеновское излучение, зафиксированное рентгеновским телескопом «Чандра». Очевидно, что оба изображения существенно различаются, что указывает на разницу в распределении общей массы и видимой материи.
Среди данных, предоставленных JWST, обнаружено множество особенностей, которые ранее оставались незамеченными. На изображении «Эль-Гордо» видно, как гравитация этого массивного скопления искажает свойства фоновых галактик, изменяя их форму, яркость и ряд других характеристик. Например, «Ла Флака» (в переводе — «Худышка») контрастирует с «толстым» скоплением «Эль-Гордо», создавая линзирующий эффект.
Это самая длинная и прямая галактическая дуга, обнаруженная посредством гравитационного линзирования. Данные от JWST также выявили несколько новых особенностей внутри дуги «Ла Флака», которые усиливаются совместным гравитационным линзированием.
Галактика «Рыболовный крючок»
Отдельно стоит упомянуть удаленную галактику с тройным гравитационным линзированием, получившую название «Рыболовный крючок». Гравитационное линзирование — это процесс, при котором свет от фоновых объектов, таких как галактики, искажается и увеличивается из-за гравитационного воздействия массивных объектов на переднем плане, например, скоплений галактик.
На изображении, сделанном с помощью JWST, в скоплении галактик «Эль-Гордо» наблюдаются явления гравитационного линзирования. Фоновые галактики подвергаются искажению и увеличению из-за гравитационного воздействия массивного объекта, расположенного на переднем плане. Одним из наиболее поразительных примеров такого линзирования является галактика, получившая название «Рыболовный крючок». Её уникальная форма образуется под воздействием взаимодействия с двойной галактикой в скоплении «Эль-Гордо».
Обнаружен самый отдаленный красный гигант
Телескоп JWST сумел обнаружить красного гиганта, который находится дальше всех известных на сегодняшний день.
«Квиллур» — это слово, которое в переводе с языка кечуа означает «звезда». Расположенная на огромном расстоянии в более чем 10 миллиардов световых лет от нас, эта звезда была обнаружена впервые благодаря уникальным возможностям телескопа JWST и эффекту увеличения, создаваемому гравитационным линзированием со стороны скопления галактик «Эль-Гордо».
JWST: мощный инструмент для исследования космоса
Изображения галактик, которые подверглись эффекту гравитационного линзирования под воздействием массы скопления галактик «Эль-Гордо», представлены в высоком разрешении и впечатляющем качестве.
На одном из представленных снимков галактики создают визуальный эффект, напоминающий клеточный митоз — процесс, в ходе которого хромосомы в ядре клетки выравниваются перед разделением на две дочерние клетки. Однако этот визуальный эффект является результатом гравитационного линзирования, а не биологическим процессом.
На втором изображении представлена пара галактик, которую авторы назвали «красные ракеты». На самом деле это одна и та же галактика, которая проявляется на двух разных местах на небе из-за эффекта гравитационного линзирования.
Снимки демонстрируют, насколько мощным инструментом для астрономии является JWST, особенно когда речь идет о наблюдении гравитационного линзирования и изучении далекой Вселенной.
На одном из изображений, созданных на основе данных, полученных от космических телескопов «Хаббл» и JWST, представлены последние модели гравитационного линзирования. Три изогнутые линии представляют собой поверхности максимального увеличения линзы. Эти линии были получены с использованием трех различных методов реконструкции массы. Каждая из них предоставляет уникальный взгляд на то, как масса в скоплении галактик распределяется и искажает свет от объектов, находящихся на фоне.
Современные телескопы — это неоценимые инструменты для астрономов, которые позволяют им более точно понимать структуру массы внутри массивных скоплений галактик. Благодаря этому ученые могут раскрывать тайны процессов формирования и эволюции космических структур во Вселенной.