Wszechświat nie przestaje serwować nam zagadek. Im dalej zaglądamy tym na większe tajemnice trafiamy. Oto najnowszy przykład. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zajrzał do jednego z najstarszych skupisk galaktyk we wszechświecie, a naukowcy nie potrafią wyjaśnić, co zobaczyli.
Kiedy astronomowie po raz pierwszy ujrzeli gromadę galaktyk, nazwaną XLSSC 122, wiedzieli, iż odkryli coś wyjątkowego. Gromada wydawała się wysoce rozwinięta, czyli duża i zorganizowana jak gromada galaktyk w pobliskim, współczesnym Wszechświecie, mimo iż znajdowała się ponad 10 mld lat świetlnych od nas, w epoce, gdy inne skupiska galaktyk dopiero zaczynały się ze sobą łączyć.
XLSSC 122 to jedna z pierwszych gromad galaktyk jakie powstały we Wszechświecie i burzy ona wszystko to, co wydawało się, iż już wiemy o formowaniu się takich struktur. Wydaje się wręcz niemożliwe, żeby mogła osiągnąć swoje rozmiary tak szybko. Kiedy to się stało, co spowodowało tak szybką ewolucję i czy odkrycie zmusi nas do przepisania podręczników na nowo? Pytań w tej sprawie jest całe mnóstwo.
Anomalia z czasów kosmicznego południa
Gromada XLSSC 122 nie jest całkowitą nowością dla świata nauki. Astronomowie po raz pierwszy natknęli się na nią w 2014 r. dzięki teleskopowi rentgenowskiemu XMM-Newton, należącemu do Europejskiej Agencji Kosmicznej.
Późniejsze obserwacje dzięki Teleskopu Hubble’a pozwoliły precyzyjnie określić jej odległość od Ziemi na około 10,4 mld lat świetlnych. Oznacza to, iż widzimy ją taką, jaka była w erze tak zwanego kosmicznego południa, w okresie, gdy wszechświat przeżywał szczyt formowania się gwiazd, produkując je choćby sto razy szybciej niż obecnie.
Sęk w tym, iż w tamtych czasach gromady galaktyk powinny dopiero powoli i chaotycznie zbierać się w grupy. Tymczasem XLSSC 122 już wtedy wyglądała na strukturę niezwykle dojrzałą, uporządkowaną i potężną, niemal identyczną jak współczesne gromady, które miały na swój rozwój dodatkowe miliardy lat. Hubble nie był jednak w stanie dostrzec szczegółów, które pozwoliłyby naukowcom zrozumieć ten fenomen. Do akcji musiał wkroczyć Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.
Przełom nastąpił dzięki przypadkowemu ustawieniu kilku bardzo odległych galaktyk względem XLSSC 122. Grawitacja ogromnej gromady zakrzywia światło pochodzące z jeszcze bardziej odległych obiektów, tworząc charakterystyczne świetlne łuki wokół jej centrum.
To zjawisko nosi nazwę silnego soczewkowania grawitacyjnego. Zgodnie z ogólną teorią względności Alberta Einsteina każda bardzo masywna struktura zakrzywia czasoprzestrzeń. Światło nie porusza się więc idealnie prostą linią, ale podąża po zakrzywionej geometrii przestrzeni.
Dzięki temu astronomowie mogą niezwykle precyzyjnie wyznaczać masę obiektów, których nie da się zważyć w żaden inny sposób. W przypadku XLSSC 122 teleskop Jamesa Webba zarejestrował najodleglejszy znany przykład silnego soczewkowania grawitacyjnego wywołanego przez gromadę galaktyk.
To osiągnięcie ma duże znaczenie naukowe, ponieważ pozwala badać rozkład masy we Wszechświecie z dokładnością, która jeszcze kilka lat temu pozostawała poza zasięgiem astronomii obserwacyjnej.
Kiedy otrzymaliśmy pierwsze zdjęcia z Kosmicznego Teleskou Jamesa Webba, powiedzieliśmy: »Wow, spójrzcie, ta gromada ma silne soczewkowanie!«. XLSSC 122 ustanowiła rekord najodleglejszej gromady galaktyk wykazującej silne soczewkowanie, co jest cennym narzędziem dla astronomów – powiedział Kyle Finner, naukowiec z IPAC i główny autor pierwszego artykułu poświęconego tej gromadzie.
Gdzie ukrywa się niewidzialna masa
Choć w gromadzie można dostrzec tysiące gwiazd oraz ogromne ilości gorącego gazu świecącego w promieniach rentgenowskich, cała ta materia odpowiada jedynie za niewielką część całkowitej masy.
Zdecydowaną większość stanowi ciemna materia, tajemnicza substancja, której nie można bezpośrednio zaobserwować, ponieważ nie emituje ani nie odbija światła. Jej istnienie poznajemy wyłącznie dzięki oddziaływaniu grawitacyjnemu.
Według obecnych szacunków we Wszechświecie znajduje się około pięć razy więcej ciemnej materii niż zwykłej materii budującej gwiazdy, planety czy ludzi. To właśnie ona tworzy kosmiczny szkielet, wokół którego przez miliardy lat powstawały galaktyki i całe gromady.
Analiza soczewkowania grawitacyjnego pokazała, iż ciemna materia w XLSSC 122 jest wyjątkowo silnie skupiona w centralnej części gromady. Problem polega na tym, iż współczesne symulacje przewidują znacznie wolniejsze tempo powstawania tak zwartych struktur.
XLSSC 122 to jedna z pierwszych gromad, o których wiemy, iż powstały we wszechświecie. Jej koncentracja masy nie zgadza się z przewidywaniami naszego modelu kosmologicznego – powiedział Finner.
Trzy dowody na kosmiczną kolizję
Wokół anomalii XLSSC 122 naukowcy opublikowali serię trzech niezależnych prac badawczych, z których każda odsłania kolejną warstwę tajemnicy. Po zmierzeniu samego jądra dzięki silnego soczewkowania, badacze z Caltech oraz południowokoreańskiego Uniwersytetu Yonsei przyjrzeli się tak zwanemu słabemu soczewkowaniu.
To znacznie subtelniejsze zniekształcenia obrazu, które wymagają zaawansowanej analizy statystycznej, ale pozwalają zmapować rozkład materii na peryferiach gromady.
Połączenie tych danych z wcześniejszymi pomiarami radiowymi i rentgenowskimi ujawniło, iż XLSSC 122 nie jest monolitem, znajduje się w trakcie gwałtownego procesu łączenia się z mniejszymi grupami galaktyk.
Potwierdziło to także trzecie, niezwykle precyzyjne badanie, w którym Webb wychwycił tzw. światło wewnątrzgromadowe. To bardzo słaba poświata generowana przez gwiazdy, które zostały wyrwane ze swoich macierzystych galaktyk i dryfują samotnie w przestrzeni międzygalaktycznej.
Kształt tego rozproszonego światła idealnie pokrywa się z mapą ciemnej materii uzyskaną dzięki soczewkowaniu. To dowód na to, iż rozerwane podczas kolizji galaktyk gwiazdy nie zdążyły jeszcze stabilnie opaść do grawitacyjnego środka gromady. jeżeli ta zależność potwierdzi się w innych miejscach, astronomowie zyskają zupełnie nową metodę lokalizowania ciemnej materii we wczesnym wszechświecie.
Czas na zmianę kosmologicznych paradygmatów?
Jedna jaskółka wiosny nie czyni, a XLSSC 122 na razie pozostaje pojedynczym, choć niesamowicie intrygującym przypadkiem. Sam James Webb nie służy do masowego przeszukiwania nieba, ponieważ ma bardzo wąskie pole widzenia i jest projektowany do obserwacji konkretnych, punktowych celów.
Naukowcy muszą więc polegać na innych instrumentach, przeglądach rentgenowskich oraz radioteleskopach wychwytujących efekt Suniajewa-Zeldowicza, który pozwala lokalizować ukryte gromady na podstawie ich wpływu na mikrofalowe promieniowanie tła.
Stawka jest wysoka. jeżeli kolejne wielkoskalowe przeglądy nieba dostarczą dowodów na istnienie dziesiątek lub setek tak rozwiniętych obiektów w młodym wszechświecie, model opisujący ewolucję kosmosu od momentu Wielkiego Wybuchu będzie musiał zostać napisany od nowa.
Jesteśmy dopiero na początku ery Webba, ale już teraz widać, iż głęboki kosmos skrywa struktury, które rzucają wyzwanie ziemskiej nauce.
