Wykorzystując Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), której ESO jest partnerem, astronomowie odkryli duży rezerwuar gorącego gazu w ciągle formującej się gromadzie galaktyk wokół galaktyki Spiderweb – najdalsze jak dotąd wykrycie takiego gorącego gazu . Gromady galaktyk to jedne z największych obiektów znanych we Wszechświecie, a wyniki, opublikowane dzisiaj w Nature, dodatkowo pokazują, jak wcześnie zaczynają się formować te struktury.
Gromady galaktyk, jak sama nazwa wskazuje, zawierają dużą liczbę galaktyk – czasem nawet tysiące. Zawierają również rozległy „środek wewnątrz gromady” (ICM) gazu, który przenika przestrzeń między galaktykami w gromadzie. Gaz ten w rzeczywistości znacznie przewyższa ilość samych galaktyk. Wiele z fizyki gromad galaktyk jest dobrze poznanych; jednak obserwacje najwcześniejszych faz powstawania ICM pozostają rzadkie.
Wcześniej ICM był badany tylko w w pełni uformowanych pobliskich gromadach galaktyk. Wykrywanie ICM w odległych protogromadach – czyli wciąż tworzących się gromadach galaktyk – pozwoliłoby astronomom uchwycić te gromady we wczesnych stadiach formowania. Zespół kierowany przez Luca Di Mascolo, pierwszego autora badań i badacza z Uniwersytetu w Trieście we Włoszech, chciał wykryć ICM w protogromadzie z wczesnych stadiów Wszechświata.
Gromady galaktyk są tak masywne, że mogą gromadzić gaz, który nagrzewa się, gdy opada w kierunku gromady. „Symulacje kosmologiczne przewidywały obecność gorącego gazu w protogromadach przez ponad dekadę, ale brakowało potwierdzeń obserwacyjnych” – wyjaśnia Elena Rasia, naukowiec z Włoskiego Narodowego Instytutu Astrofizyki (INAF) w Trieście we Włoszech i współautorka badania. „Dążenie do takiego kluczowego potwierdzenia obserwacyjnego doprowadziło nas do starannego wybrania jednej z najbardziej obiecujących kandydatek na protogromady”. To była protogromada Pajęczej Sieci, zlokalizowana w epoce, gdy Wszechświat miał zaledwie 3 miliardy lat. Pomimo tego, że jest to najintensywniej badana protogromada, obecność ICM pozostaje nieuchwytna. Znalezienie dużego rezerwuaru gorącego gazu w protogromadzie Pajęczej Sieci wskazywałoby, że system jest na najlepszej drodze, by stać się właściwą, długotrwałą gromadą galaktyk, zamiast się rozpraszać.
Zespół Di Mascolo wykrył ICM protogromady Pajęczej Sieci poprzez tak zwany efekt termiczny Sunyaev-Zeldovich (SZ). Efekt ten ma miejsce, gdy światło z kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła – promieniowania reliktowego z Wielkiego Wybuchu – przechodzi przez ICM. Kiedy to światło oddziałuje z szybko poruszającymi się elektronami w gorącym gazie, zyskuje trochę energii, a jego kolor lub długość fali nieznacznie się zmienia. „Przy odpowiednich długościach fal efekt SZ pojawia się jako efekt cienia gromady galaktyk na kosmicznym mikrofalowym tle” – wyjaśnia Di Mascolo.
Mierząc te cienie na kosmicznym mikrofalowym tle, astronomowie mogą zatem wywnioskować istnienie gorącego gazu, oszacować jego masę i sporządzić mapę jego kształtu. „Dzięki niezrównanej rozdzielczości i czułości ALMA jest obecnie jedynym obiektem zdolnym do wykonywania takich pomiarów dla odległych przodków masywnych gromad” – mówi Di Mascolo.
Ustalili, że protogromada Pajęczej Sieci zawiera ogromny rezerwuar gorącego gazu o temperaturze kilkudziesięciu milionów stopni Celsjusza. Wcześniej w tej protogromadzie wykryto zimny gaz, ale masa gorącego gazu znaleziona w tym nowym badaniu przewyższa go tysiące razy. To odkrycie pokazuje, że protogromada Pajęczej Sieci rzeczywiście może zmienić się w masywną gromadę galaktyk za około 10 miliardów lat, zwiększając swoją masę co najmniej dziesięciokrotnie.
Tony Mroczkowski, współautor artykułu i badacz z ESO, wyjaśnia, że „ten system wykazuje ogromne kontrasty. Gorący element termiczny zniszczy większość zimnego elementu w miarę ewolucji systemu, a my jesteśmy świadkami delikatnego przejścia”. Dochodzi do wniosku, że „zapewnia obserwacyjne potwierdzenie długoletnich przewidywań teoretycznych dotyczących powstawania największych obiektów związanych grawitacyjnie we Wszechświecie”.
Wyniki te pomagają położyć podwaliny pod synergie między ALMA i nadchodzącym Ekstremalnie Wielkim Teleskopem ESO (ELT), który „zrewolucjonizuje badania struktur takich jak Pajęczyna” – mówi Mario Nonino, współautor badania i badacz w Astronomical Obserwatorium Triestu. ELT i jego najnowocześniejsze instrumenty, takie jak HARMONI i MICADO, będą w stanie zajrzeć do protogromad i bardzo szczegółowo opowiedzieć nam o znajdujących się w nich galaktykach. Wraz z możliwościami ALMA do śledzenia formującego się ICM, zapewni to kluczowy wgląd w montaż niektórych z największych struktur we wczesnym Wszechświecie.