Nowa, najbardziej dokładna mapa odległej gromady galaktyk

Gromada galaktyk MCS J0416.1–2403 widziana „oczyma” Kosmicznego Teleskopu Hubble'a – jedna z sześciu gromad badanych w projekcie Hubble Frontier Fields. Ma on na celu analizowanie rozkładu mas w obrębie wielkich gromad oraz wykorzystanie działającego w nich efektu soczewkowania grawitacyjnego, co z kolei pozwala nam zajrzeć w Kosmos dużo głębiej niż kiedyś. Naukowcy wykonali tą metodą niemal 200 zdjęć bardzo odległych galaktyk. Ich światło zostało zakrzywione, a sam obraz optyczny powiększony podczas przejścia przez tę olbrzymią gromadę - soczewkę.

Źródło: ESA/Hubble, NASA, HST Frontier Fields

Obserwacje wykonane w ramach projektu Hubble's Frontier Fields umożliwiły utworzenie mapy ukazującej ilości oraz rozkład mas w gromadzie galaktyk MCS J0416.1–2403.

Przy użyciu Kosmicznego Teleskopu Hubble'a astronomowie wykonali mapę rozkładu mas w dużej gromadzie galaktyk. Mapę tą cechuje najlepsza jak dotąd precyzja. Rozkład uzyskany w ramach programu Hubble Frontier Fields ukazuje ilości oraz rozkłady mas w obrębie masywnej gromady MCS J0416.1–2403. Jego szczegóły poznano dzięki nowym, bardzo głębokim obrazom dalekich obiektów kosmicznych, utworzonych przez zjawisko znane jako silne soczewkowanie grawitacyjne.

Pomiar rozkładu mas w odległych rejonach Wszechświata jest zazwyczaj bardzo trudny. Można jednak czasem obejść te trudności - wykorzystując to, że wielka, masywna gromada galaktyk wywiera silny wpływ grawitacyjny na światło pochodzące z obiektów położonych dużo dalej niż ona sama. To jeden z celów misji Hubble'a, Frontier Fields – ambitnego programu obserwacyjnego, w którym bada się sześć gromad galaktyk, w tym widocznej na załączonym zdjęciu, pięknej MCS J0416.1-2403.

Duże „kłęby” masy we Wszechświecie zakrzywiają i odkształcają okoliczną czasoprzestrzeń. Często zachowują się jak wielkie soczewki powiększające i zakrzywiające promienie świetlne leżących dalej, jasnych obiektów. Poza ogromną masą i działaniem grawitacyjnym oddziaływania takich wielkich gromad na ich otoczenie jest niewielkie. Generują one głównie tzw. słabe soczewkowanie grawitacyjne, dzięki czemu dalej położone obiekty jawią nam się tylko jako lekko bardziej eliptyczne lub rozciągnięte na tle nieba. Gdy jednak gromada jest wystarczająco wielka i gęsta, i przy odpowiednim wzajemnym usytuowaniu jej oraz danego obiektu tła, efekt może być dużo silniejszy. Wówczas obraz optyczny zwykłej galaktyki staje się podobny do pierścieni i łuków światła – czasem kilku dla jednej galaktyki czy kwazara. To tzw. silne soczewkowanie grawitacyjne, które obserwuje się w przypadku sześciu gromad wyselekcjonowanych w projekcie Frontier Fields, i dzięki któremu możliwe było uzyskanie rozkładu mas w MCS J0416.1-2403. Dzięki temu też możliwe są także obserwacje bardzo odległych i w rzeczywistości najsłabszych znanych nam dotąd galaktyk.

Przy użyciu aparatury Teleskopu Hubble'a - Advanced Camera for Surveys astronomowie zdołali zidentyfikować 51 nowych galaktyk „wokół” badanej gromady. Całkowita jak dotąd ilość galaktyk tła odkrytych tą metodą to 68. Ponieważ jednak przy soczewkowaniu widzimy te same obiekty na kilku osobnych obrazach, samych zdjęć takich obiektów mamy w polu niemal 200. Dzięki temu możliwe było wyznaczenie rozkładu zarówno widocznej, jak i ciemnej materii w całej gromadzie.

Choć naukowcy teoretycznie wiedzieli od przeszło dwudziestu lat, jak to zrobić z wykorzystaniem silnego soczewkowania grawitacyjnego, brakowało im jak dotąd wystarczająco „głębokich” i zarazem wyraźnych danych optycznych. Dzięki danym z Hubble'a stało się to w końcu możliwe. Badając obrazy 57. najbardziej wyraźnych galaktyk, które widzimy dzięki soczewkowaniu, astronomowie wymodelowali masę zwykłej oraz ciemnej materii w MCS J0416.1-2403, która zakrzywia światło tych galaktyk tła.

Całkowita masa gromady MCS J0416.1-2403 wynosi według nich ponad 160 trylionów mas Słońca i jest zawarta w obszarze o rozciągłości 650 tysięcy lat świetlnych. Pomiar ten jest kilka razy bardziej precyzyjny niż wszystkie poprzednie oszacowania dla tego obiektu. Określając dokładnie, gdzie najwięcej masy leży w obrębie gromady, naukowcy mogli również zmierzyć efektywne zakrzywienie czasoprzestrzeni.

Jednak astronomowie, którzy dokonali tych oszacowań, nie zamierzają na tym poprzestać. Aby uzyskać pełen rozkład masy w gromadzie muszą również uwzględnić efekty słabego soczewkowania. Da im to o wiele więcej niż tylko wstępne, zgrubne wyznaczenie masy jądra gromady – uzyskają rozkład mas otaczających samą gromadę w większej odległości od jej centrum. Badania te zostaną przeprowadzone przy użyciu najbardziej głębokich przeglądów optycznych Hubble'a. Być może umożliwią wykrycie mniejszych struktur w otoczeniu MCS J0416.1-2403. W uzyskaniu jeszcze bardziej pełnej mapy rozkładu mas gromady pomogą również dane rentgenowskie świadczące o znajdujących się w niej obszarach gorącego gazu oraz jej obserwacje spektroskopowe. Dzięki temu powstanie obraz trójwymiarowy, zawierający między innymi względne prędkości zawartych w niej galaktyk. To wszystko przyczyni się do lepszego zrozumienia historii i ewolucji gromady.

Cały artykuł: Mathilde Jauzac et al., Hubble Frontier Fields: The Geometry and Dynamics of the Massive Galaxy Cluster Merger MACSJ0416.1-2403






Liczba odsłon: 1878


Gromada MCS J0416.1–2403. Widoczne na tej mapie różne odcienie błękitnej mgiełki odpowiadają rozkładowi mas. Mapa została utworzona dzięki nowym obserwacjom z Hubble'a w połączeniu z efektami zjawiska powiększającego obraz optyczny dalekich obiektów, znanego jako soczewkowanie grawitacyjne. Silne soczewkowanie pozwała na precyzyjne wyznaczenie masy w centrum gromady, natomiast słabsze dostarcza astronomom cennych informacji na temat rozkładu masy otaczającej jej jądro.

Źródło: ESA/Hubble/NASA/HST Frontier Fields