Hatalmas kozmikus ütközés során tárult fel a sötét anyag

Hatalmas galaxisok összeolvadását és egy extrém nagytömegű ősi galaxishamazt azonosítottak a távoli Világegyetemben. Az objektumok megerősítik azt a modellt, amely szerint a nagy galaxisok kisebbek egybeolvadásával növekedtek, továbbá azt is alátámasztják, hogy a Világegyetem egyik alapvető összetevője a ma még alig ismert sötét energia lehet.

Az Európai Déli Obszervatórium (ESO) műszerivel 4 milliárd fényévre lévő csillagvárosokat vizsgáltak a szakemberek. A 8,2 méter átmérőjű VLT távcsövekkel négy olyan kisebb galaxiscsoportot tanulmányoztak, amelyek tagjai között intenzív kölcsönhatás zajlik. Az itt azonosított összesen 198 galaxis közül a legfényesebbek 100 vagy akár 1000 milliárd csillagot is tartalmazhatnak. (Saját galaxisunkban, a Tejútrendszerben mintegy 200 milliárd csillag lehet.)

A megfigyelés további érdekes eredménye, hogy a négy fényes halmazban lévő legfényesebb galaxisoknak gyakran volt egy-egy fényes és nagytömegű kísérője. Eszerint néhol kettő vagy több csillagváros gyűjtötte magába az anyagot, amelyek idővel feltehetőleg egymással is összeolvadnak.

Az eredmények arra utalnak, hogy a galaxisok egymás bekebelezésével történő növekedése egészen az utóbbi időszakig zajlott, tehát hosszú folyamat volt. A megfigyelések alátámasztják a nagy galaxisok keletkezését leíró ún. hierarchikus modellt, amely szerint azok a kisebb csillagvárosok összeütközésével, egymás bekebelezésével alakultak ki.

Ugyanakkor az ilyen ütközések során, a Világegyetem fejlődésének előrehaladtával egyre kevesebb esetben keletkeztek új csillagok. Feltehetőleg az összeolvadó galaxisokban csökkent a csillagközi gáz, tehát az alapanyag mennyisége az új égitestek születéséhez.

A legfényesebb vizsgált galaxisok képe. A felső sorban két nagytömegű galaxispár látható, a bal alsónak pedig (itt a képen nem látható) kettős magja van, amely egy korábbi összeolvadás nyomán keletkezhetett (ESO)

Egy extrém nagytömegű galaxishalmaz a távolban

Az Európai Űrügynökség (ESA) XMM-Newton-szondája a Föld körül keringő űrobszervatórium, amely a röntgentartományban vizsgálja az égboltot. A műszerrel a kutatók nem csak pontszerű sugárforrásokat vizsgálnak, de kiterjedt objektumokat is elemeznek, amelyek galaxisokban, illetve a környezetükben lévő forró anyag sugárzása segítségével vizsgálhatók. Az XMM-Newton EPIC kamerája eddig az égbolt közel 1%-át örökítette meg, és mintegy 190 000 önálló röntgenforrást azonosított.

A halmaz az XMM-Newton felvételén

Az űreszköz nemrég egy már korábban felfedezett objektumot vizsgált meg újra, miközben egy sokkal távolabbi sugárforrást is azonosított a háttérben. A kérdéses irányban a Sloan Digital Sky Survey felmérés során készült optikai felvételeken semmi nem mutatkozott, ezért a 8,4 méter átmérőjű Large Binocular Telescope műszer jobb határfényességű képein is megvizsgálták a célterületet - itt már galaxisokra akadtak a kérdéses pozíción.

A 2XMM J083026+524133 jelzéssel ellátott objektumról sikerült megállapítani, hogy egy távoli galaxishalmaz, amely tőlünk 7,1 milliárd fényévre van. Az XMM-Newton korábban már több galaxishalmazt is azonosított ilyen messzeségben, de azok mind kisebb tömegűek voltak, sokkal gyengébb röntgensugárzással. A most vizsgált halmaz tömege több ezerszerese egy mai nagyobb galaxisnak, például a Tejútrendszerének. Ekkora tömegű halmazt korábban még nem sikerült azonosítani ilyen távolságban.

Anyagának jelentős része forró, közel 100 millió fokos hőmérsékletű plazma (ionizált gáz) formájában lehet jelen a galaxisok közötti térben. Az elméleti modellek alapján nagyon kevés ilyen nagy tömegű halmaz létezhetett ennyire korán a Világegyetemben. Az ilyen objektumok segítségével a különböző kozmológiai modellek is pontosíthatók.

A kérdéses galaxishalmaz a Large Binocular Telescope felvételén, rajta a röntgensugárzás közelítő forrásterülete kék színnel. Az egyes galaxisok az itt sejthető apró csomók. A jobbra lent látható vonalak a hosszú expozíciós idő miatt keletkezett hibák a felvételen (ESA XMM-Newton, EPIC, LBT, LBC, AIP, J. Kohnert)

A kérdéses halmaz abba a képbe illeszkedik, amely szerint a Világegyetem jelentős részét a ma még ismeretlen sötét energia uralja. A taszító hatással bíró sötét energia a Világegyetem későbbi időszakában egyre inkább akadályozta a hasonlóan nagy galaxishalmazok kialakulását.

Ahol a látható és a láthatatlan tömeg különválik

A Hubble-űrteleszkóp (HST) és a röntgentartományban dolgozó Chandra-űrteleszkóp segítségével a MACSJ0025.4-1222 jelű galaxishalmazt tanulmányozták. Az objektum két halmaz ütközése nyomán alakulhatott ki. A láthatatlan tömeg eloszlását a HST optikai felvételein tapasztalt gravitációs lencsehatás alapján határozták meg, míg a Chandra a normál anyag erős röntgensugárzását örökítette meg.

A halmaz érdekessége, hogy a látható és a láthatatlan tömeg elkülönül benne. Erre korábban egyetlen példát - a Bullet-halmazt (Lövedék-halmazt) - ismertek, de most úgy fest, gyakoribb jelenséggel van dolgunk. A folyamat hátterében az áll, hogy a két halmaz találkozásakor a látható tömeg (főleg gáz és plazma) egyes részecskéi egymással ütköztek és lelassultak.

Ugyanakkor a csak gravitációs kölcsönhatásba lépő láthatatlan tömeg esetében a hagyományos értelemben vett ütközés nem fordul elő: itt a két halmaz láthatatlan tömege "átsuhant" egymáson. Gravitációs terükkel persze a találkozó után lassították egymás mozgását, de nem annyira, mint a "fizikailag is" összeütközött normál anyag. A láthatatlan tömeg ezért az ütközés pontján "túllendült", és távolabb jutott.

A látható (rózsaszín) és láthatatlan tömeg (kék) eloszlása a halmazban. A kép nagyméretű változatának letöltése (NASA, ESA, CXC, M. Bradac, University of California, Santa Barbara, S. Allen, Stanford University)

A látható és a láthatatlan összetevő sebessége és mozgása eltért egymástól, így térben is elkülönülnek. Ezért a HST alapján feltérképezett és kék színnel jelzett láthatatlan tömeg eloszlása eltér a Chandra által feltérképezett és rózsaszínnel ábrázolt plazmáétól, amely a látható anyag eloszlását jelzi. A halmaz további részletes megfigyelése segít a láthatatlan tömeg jellemzőinek jobb megismerésében. A jelenlegi adatok egybevágnak az előrejelzésekkel, amely szerint a láthatatlan anyag részecskéi a gravitációs kölcsönhatáson kívül egyéb módon nem lépnek kapcsolatba egymással.