Masīva galaktiku kopa, kas izveidojusies laikā, kad šādas milzīgas struktūras Visumā tikai sāka veidoties, liek astronomiem pārskatīt priekšstatus par kosmisko struktūru attīstības ātrumu. Jaunie NASA Džeimsa Veba kosmiskā teleskopa jeb JWST novērojumi rāda, ka kopā XLSSC 122 neparasti liela matērijas daļa ir koncentrēta tās centrā. Tas var nozīmēt, ka dažas kosmiskās struktūras izveidojās daudz ātrāk, nekā paredz pašreizējie modeļi.

XLSSC 122, ko pēta trīs neseni pētījumi IPAC — Kalteha astrofizikas un planetārās zinātnes datu centra — pētnieku vadībā, atrodas aptuveni 10,4 miljardu gaismas gadu attālumā no Zemes. Pētījumu rezultāti tika prezentēti 2026. gada 17. jūnijā preses konferencē Amerikas Astronomijas biedrības 248. sanāksmes laikā.

Kopa piesaistīja astronomu uzmanību ar savu pārsteidzošo briedumu. Tā pastāvēja periodā, kad galaktiku kopas vēl aktīvi veidojās, tomēr jau uzrādīja izmēru un sakārtotu struktūru, kas parasti raksturīga mūsdienu Visuma kopām.

JWST atklāja arī īpašu ģeometrisku sakritību: XLSSC 122 atrodas tieši vienas vai vairāku vēl tālāku galaktiku priekšā. Kopas spēcīgā gravitācija saliec un izkropļo gaismu, kas nāk no šīm fona galaktikām, radot retu parādību — spēcīgu gravitācijas lēcošanu. Šī parādība ļauj ārkārtīgi precīzi noteikt, kā kopa sadala savu masu.

“Kad saņēmām pirmos JWST attēlus, mēs teicām: ‘Oho, paskatieties — no šīs kopas nāk spēcīga lēcošana!’” sacīja IPAC personāla zinātnieks un pirmā pētījuma vadošais autors Kailss Finners. “XLSSC 122 tagad ir tālākā galaktiku kopa, kurai novērota spēcīga lēcošana, un astronomiem tas ir vērtīgs instruments.”

Sena galaktiku kopa izaicina kosmiskās prognozes

Atklātā gravitācijas lēcošana ļāvusi pētniekiem detalizētāk nekā jebkad iepriekš izpētīt masas sadalījumu senā galaktiku kopā. XLSSC 122 pastāvēja tā dēvētajā “kosmiskajā pusdienlaikā” — aptuveni pirms 10 miljardiem gadu, kad Visumā norisinājās visintensīvākais zvaigžņu veidošanās periods.

Tajā laikā galaktikas veidoja zvaigznes ar ātrumu, kas bija līdz pat 100 reizēm lielāks nekā mūsdienu Visumā. Arī galaktiku kopas kļuva arvien izplatītākas, mazākām sistēmām pakāpeniski apvienojoties lielākās struktūrās.

Tomēr XLSSC 122, šķiet, attīstījās negaidītā veidā. Jaunie mērījumi liecina, ka ārkārtīgi liela tās masas daļa ir saspiesta centrālajā reģionā. Saskaņā ar standarta kosmoloģiskajiem modeļiem masīvu struktūru augšanai vajadzētu būt pakāpeniskākai, tāpēc tik koncentrēta kopa šajā agrīnajā Visuma posmā ir pārsteidzoša.

“XLSSC 122 ir viena no pirmajām zināmajām kopām, kas izveidojās Visumā, un tās masas koncentrācija nesakrīt ar mūsu kosmoloģiskā modeļa prognozēm,” sacīja Finners.

Lai šo mīklu izpētītu padziļināti, Finners un viņa kolēģi veica vēl divus JWST pētījumus. To pirmie autori bija Džakari Skofīlds un Hjongdžins Džo no Jonsejas universitātes. Trīs pētījumi kopā sniedz daudz pilnīgāku priekšstatu par neparasto kopu un ļauj labāk izprast galaktiku kopu veidošanos “kosmiskā pusdienlaika” laikā.

Astronomi XLSSC 122 sākotnēji identificēja 2014. gadā, izmantojot Eiropas Kosmosa aģentūras kosmiskā teleskopa XMM-Newton veikto rentgenstaru apsekojumu. Vēlāki Habla kosmiskā teleskopa novērojumi palīdzēja noteikt kopas attālumu — aptuveni 10,4 miljardus gaismas gadu — un apstiprināja, ka tā savam vecumam šķiet neparasti attīstīta.

Tomēr Habla datos nebija skaidru pierādījumu spēcīgai gravitācijas lēcošanai. Situācija mainījās, kad JWST fiksēja raksturīgus izliektus gaismas lokus ap kopas centru. Tie sniedza pirmās pārliecinošās pazīmes, ka XLSSC 122 rada šo parādību.

“Pirms JWST mēs nevarējām tik dziļi pētīt agrīno, tālo Visumu,” sacīja Finners.

Gravitācijas lēcošana palīdz kartēt tumšo matēriju

Gravitācijas izkropļojumus galvenokārt rada kaut kas tāds, ko astronomi nevar tieši novērot, — tumšā matērija.

Lai gan XLSSC 122 satur redzamas zvaigznes un kvēlojošu gāzi, šīs parastās matērijas formas rada tikai nelielu daļu no gravitācijas lēcošanas efekta. Lielāko daļu izkropļojumu izraisa tumšā matērija — neredzama viela, ko nav iespējams noteikt ar gaismu, taču tās gravitācijas ietekmi apstiprina plašs astronomisko novērojumu klāsts.

Zinātnieki lēš, ka tumšās matērijas ir aptuveni piecas reizes vairāk nekā parastās matērijas, no kuras sastāv zvaigznes, planētas un apkārtējā pasaule. Tās gravitācija palīdz saturēt galaktikas kopā un veido milzīgo galaktiku grupu, kopu un pavedienu tīklu Visumā.

Tā kā tumšajai matērijai ir būtiska nozīme kosmisko struktūru veidošanā, tās sadalījuma noteikšana miljardiem gadu senā pagātnē ļauj pārbaudīt teorijas par Visuma attīstību kopš Lielā sprādziena, kas notika aptuveni pirms 13,8 miljardiem gadu.

“Spēcīga lēcošana ir veids, kā izmērīt tumšo matēriju, to faktiski neredzot,” sacīja Finners. “Tā sniedz jutīgu iespēju pārbaudīt mūsu kosmoloģiskos modeļus.”

Otrajā pētījumā komanda XLSSC 122 analizēja, izmantojot citu gravitācijas lēcošanas veidu — vājo lēcošanu.

Spēcīga gravitācijas lēcošana rada acīmredzamus izkropļojumus, tostarp iespaidīgos lokus, ko iemūžināja JWST. Vājā lēcošana savukārt izraisa daudz mazākas izmaiņas tālu esošu galaktiku šķietamajā formā. Šos smalkos efektus ir grūti atklāt atsevišķi, tāpēc astronomi to noteikšanai izmanto statistiskas metodes.

Abas metodes sniedz papildinošu informāciju. Spēcīgā lēcošana ir īpaši noderīga, lai izmērītu masu, kas koncentrēta netālu no kopas centra, savukārt vājā lēcošana ļauj noteikt matērijas sadalījumu tās ārējos reģionos.

“Vājā gravitācijas lēcošana ļauj ierobežot masas sadalījumu daudz tālāk no centra, tāpēc var iegūt labāku priekšstatu par apkārtējo kopas reģionu,” sacīja Finners.

Apvienojot šos mērījumus ar citu teleskopu rentgenstaru un radio novērojumiem, zinātnieki secināja, ka XLSSC 122 joprojām piedzīvo saplūšanu. Tās galaktikas turpina satuvināties, kopai pakāpeniski veidojoties. Plašākā analīze arī apstiprināja iepriekšējo secinājumu, ka neparasti liela masas daļa koncentrēta netālu no kopas centra.

Sena zvaigžņu gaisma sniedz jaunas norādes par tumšo matēriju

Komandas trešais un jaunākais pētījums atklāja vēl vienu svarīgu XLSSC 122 iezīmi — blāvu gaismu, ko rada zvaigznes, kas vairs nav piesaistītas atsevišķām galaktikām.

Šo izkliedēto spīdumu sauc par kopas starpgalaktiku gaismu. To rada zvaigznes, kas izkliedētas telpā starp galaktikām. JWST novērojumi ir senākais līdz šim zināmais šādas gaismas atklājums, un tas sniedz vēl vienu iespēju pētīt galaktiku kopu attīstību tālajā Visumā.

Šīs gaismas plašais sadalījums atbalsta secinājumu, ka XLSSC 122 pašlaik piedzīvo saplūšanu. Galaktikām mijiedarbojoties un saduroties, daļa zvaigžņu tiek atrauta no savām sākotnējām galaktikām un izkliedēta pa kopu. XLSSC 122 gadījumā daudzas no šīm pārvietotajām zvaigznēm, šķiet, vēl nav nosēdušās blīvajā centrālajā reģionā.

Pētnieki atklāja arī intriģējošu saistību starp šīm klejojošajām zvaigznēm un tumšo matēriju. Netālu no kopas centra starpgalaktiku gaismas forma cieši sakrīt ar tumšās matērijas sadalījumu, kas secināts no spēcīgās gravitācijas lēcošanas. Tas liecina, ka blāvais zvaigžņu spīdums starp galaktikām potenciāli varētu kalpot kā redzams rādītājs vietām, kur koncentrēta neredzamā tumšā matērija.

Ja astronomi tādu pašu saistību novēros arī citās kopās, īpaši agrīnā Visuma kopās, starpgalaktiku gaisma varētu kļūt par vērtīgu jaunu instrumentu tumšās matērijas kartēšanai kosmiskās vēstures gaitā.

“Šajā kopā starpgalaktiku gaisma būtībā izseko tumšajai matērijai,” sacīja Finners. “Šī gaisma mums stāsta, ka kopa atrodas saplūšanas procesā.”

Vai senākas galaktiku kopas liks pārskatīt kosmoloģiju?

Nākamais Finnera un viņa kolēģu mērķis ir atrast un izpētīt vēl vairākus desmitus galaktiku kopu, kas izveidojušās līdzīgi agrīnos Visuma vēstures periodos.

Šādu tālu objektu atrašanai nepieciešama cita pieeja nekā to detalizētai izpētei. Lai gan JWST ir ārkārtīgi jaudīgs, tā salīdzinoši šaurais redzeslauks ir piemērotāks atlasītu mērķu pētīšanai, nevis milzīgu debess apgabalu pārmeklēšanai.

Tāpēc astronomiem vispirms jāatrod daudzsološi kandidāti, izmantojot plaša apgabala rentgenstaru un radio apsekojumus, līdzīgi tiem, kuros sākotnēji tika atklāts XLSSC 122.

Viena no daudzsološām metodēm balstās uz Sunjajeva–Zeldoviča efektu. Tas rodas, kad enerģētiskas daļiņas galaktiku kopās izkliedē kosmiskā mikroviļņu fona starojumu — blāvu Lielā sprādziena pēcspīdumu.

Šī mijiedarbība var radīt raksturīgus reģionus, kas kosmiskā mikroviļņu fona novērojumos izskatās kā “caurumi”. Meklējot šādus signālus, astronomi var atrast galaktiku kopas, kuras citādi būtu grūti pamanīt.

Vairāku XLSSC 122 līdzīgu objektu atrašana varētu būtiski ietekmēt kosmoloģiju. Ja arī citās senajās kopās tiks atklāta negaidīti koncentrēta tumšā matērija un neparasti attīstīta struktūra, zinātniekiem, iespējams, nāksies pārskatīt dažus pamatpieņēmumus par to, cik ātri veidojās lielās kosmiskās struktūras.

Pagaidām XLSSC 122 ir nozīmīgs pašreizējo modeļu pārbaudījums, taču būs vajadzīga lielāka objektu izlase, lai noteiktu, vai tās neparastās īpašības ir retums vai plašākas agrīnā Visuma tendences daļa.

“JWST laikmets vēl ir tikai sākumā,” sacīja Finners. “Ja mēs šajā Visuma attīstības posmā spēsim iegūt datus par desmitiem vai simtiem šādu objektu, tad patiešām varēsim sākt nopietni pārbaudīt savus kosmoloģiskos modeļus.”