Lehdistötiedote

Tähtitieteilijät ovat havainneet varhaisen maailmankaikkeuden kaukaisen galaksijoukon syntymää

29. maaliskuuta 2023, Turku

Tähtitieteilijät ovat löytäneet Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, eli ALMA:n, avulla suuren kuuman kaasun reservin kehittymässä olevassa galaksijoukossa Hämähäkkiverkkogalaksin (Spiderweb galaxy) ympäriltä. ESO on ALMA:n kumppani. Tämä on toistaiseksi kaukaisin tällaisesta kuumasta kaasusta tehty havainto. Galaksijoukot ovat maailmankaikkeuden suurimpia kohteita, ja tänään Naturessa julkaistu tulos selvittää, kuinka aikaisin nämä rakenteet alkoivat muodostumaan.

Nimensä mukaisesti galaksijoukoissa on suuri määrä galakseja — joskus jopa tuhansia. Niissä on myös valtava määrä joukon sisäistä kaasua (intracluster medium (ICM)), joka täyttää galaksien välisen tilan. Kaasua on itse asiassa huomattavasti enemmän kuin galaksien massa yhteensä. Galaksijoukkojen fysiikka ymmärretään yleisesti hyvin, mutta havaintoja joukon sisäisen aineen varhaisimmista muodostumisvaiheista on edelleen niukasti.

ICM:a oli tutkittu aikaisemmin vain jo täysin kehittyneissä galaksijoukoissa. ICM:n havaitseminen kaukaisissa protoklustereissa, jotka ovat yhä muodostumassa olevia galaksiryhmiä, antaisi tähtitieteilijöille mahdollisuuden tutkia joukkoja niiden kehityksen alkuvaiheessa. Italialaisen Triesten yliopiston tutkijan Luca Di Mascolon johtama ryhmä oli innokas havaitsemaan maailmankaikkeuden varhaisen vaiheen protojoukoissa olevaa ICM:a. Luca Di Mascolo on tässä esitellyn tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja.

Galaksijoukot ovat niin massiivisia, että ne voivat kerätä yhteen kaasua, joka kuumenee sen pudotessa joukkoon. "Kosmologiset simulaatiot ovat ennustaneet protojoukkojen kuuman kaasun olemassaolon jo yli vuosikymmenen ajan, mutta tätä ei olla vahvistettu havaintojen avulla", kertoi Elena Rasia, tutkija Italian National Institute for Astrophysics -instituutissa (INAF) Triestessä Italiassa ja yksi tutkimuksen tekijöistä. "Näin keskeisen vahvistuksen saaminen johti siihen, että valitsimme huolellisesti yhden lupaavimmista protojoukko ehdokkaista". Kohde oli Hämähäkkiverkko-protoklusteri, joka sijaitsee aikakaudella, jolloin Universumi oli vain kolme miljardia vuotta vanha. Vaikka joukkoa oli tutkittu erittäin paljon, niin galaksijoukon sisäisen aineen havainnot olivat jääneet tekemättä. Jos Hämähäkkiverkkojoukosta löytyisi suuri määrä kuumaa kaasua, se osoittaisi, että järjestelmästä on tulossa kunnollinen, pitkäikäinen galaksijoukko sen sijaan, että se hajoaisi.

Di Mascolon tutkimusryhmä havaitsi Hämähäkkiverkko-protojoukon sisäistä ainetta lämpö Sunyaev-Zeldovich (SZ)-ilmiön (thermal Sunyaev-Zeldovich) kautta. Ilmiö tapahtuu, kun kosminen mikroaaltotaustasäteily, eli alkuräjähdyksestä peräisin olevan säteily, kulkee ICM:n läpi. Kun säteily vuorovaikuttaa kuuman kaasun nopeasti liikkuvien elektronien kanssa, se saa hieman lisää energiaa ja sen väri, eli aallonpituus muuttuu hieman. "Tietyillä aallonpituuksilla SZ-efekti näkyy näin ollen varjostavana vaikutuksena galaksijoukon kosmiselle mikroaaltotaustasäteilylle", kertoi Di Mascolo. 

Mittaamalla näitä kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn varjoja, tähtitieteilijät pystyvät päättelemään onko kuumaa kaasua olemassa, arvioimaan sen massan ja kartoittaa sen muotoa. "ALMA on vertaansa vailla oleva havaintolaite, ja sen resoluution ja herkkyyden ansiosta ainoa tutkimuslaitos, joka pystyy tällä hetkellä tekemään tällaisia mittauksia massiivisten joukkojen kaukaisista esiasteista", sanoi Di Mascolo.

He havaitsivat, että Hämähäkkiverkko-protojoukossa on valtava kuuman kaasun reservi muutaman kymmenen miljoonan celsiusasteen lämpötilassa. Tässä protojoukossa oli aiemmin havaittu olevan kylmää kaasua, mutta tässä uudessa tutkimuksessa havaittu kuuman kaasun massa on tuhansia kertoja suurempi. Tämä havainto osoittaa, että Hämähäkkiverkko-protojoukon odotetaan todellakin kehittyvän valtavaksi galaksijoukoksi noin kymmenessä miljardissa vuodessa ja kasvattavan massaansa ainakin kymmenkertaiseksi.

Yksi artikkelin kirjoittajista ja ESO-tutkija Tony Mroczkowski kertoi, että "tämä järjestelmä pitää sisällään suuria vastakohtia. Järjestelmän kehittyessä kuuma komponentti tulee tuhoamaan suuren osan kylmästä komponentista, ja olemme nyt havaitsemassa herkkää muutosta". Hän totesi lopuksi: "Tämä havainto vahvistaa pitkään tiedetyt teoreettiset ennusteet, jotka koskevat maailmankaikkeuden suurimpien gravitaation sitomien kohteiden muodostumista."

Nämä tulokset auttavat ALMAn ja ESO:n tulevan Extremely Large Telescopen, eli ELT:n välisen synergian kehittämisessä. "ELT mullistaa Hämähäkkiverkkojoukon kaltaisten rakenteiden tutkimuksen", sanoi tutkimuksen tekijä ja tutkija Mario Nonino Triesten tähtitieteellisestä observatoriosta. ELT ja sen huipputason instrumentit, kuten HARMONI ja MICADO, voivat kurkistaa protojoukkojen sisälle ja saada niiden galakseista yksityiskohtaista tietoa. ALMA:n kyky galaksijoukon sisäisen aineen muodostumisen jäljittämiseen yhdistettynä ELT:n havaintomahdollisuuksiin tulee olemaan ratkaisevassa roolissa varhaisen maailmankaikkeuden suurimpien rakenteiden kehittymisen tutkimuksessa.

Lisätietoa

Tässä tehty tutkimus on julkaistu artikkelissa: “Forming intracluster gas in a galaxy protocluster at a redshift of 2.16”, joka ilmestyy Nature (doi: 10.1038/s41586-023-05761-x) julkaisusarjassa.

Tutkimuksessa mukana ovat olleet seuraavat tahot: Luca Di Mascolo (Astronomy Unit, University of Trieste, Italia [UT]; INAF – Osservatorio Astrofisico di Trieste, Italia [INAF Trieste]; IFPU – Institute for Fundamental Physics of the Universe, Italia [IFPU]), Alexandro Saro (UT; INAF Trieste; IFPU; INFN – Sezione di Trieste, Italia [INFN]), Tony Mroczkowski (European Southern Observatory, Saksa [ESO]), Stefano Borgani (UT; INAF Trieste; IFPU; INFN), Eugene Churazov (Max-Planck-Institute für Astrophysik, Saksa; Space Research Institute, Venäjä), Elena Rasia (INAF Trieste; IFPU), Paolo Tozzi (INAF – Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Italia), Helmut Dannerbauer (Instituto de Astrofísica de Canarias, Espanja; Universidad de La Laguna, Espanja), Kaustuv Basu (Argel ander Institute for Astronomy, University of Bonn, Saksa), Christopher L. Carilli (National Radio Astronomy Observatory, Yhdysvallat), Michele Ginolfi (ESO; Dipartimento di Fisica e Astronomia, University of Florence, Italia), George Miley (Leiden Observatory, Leiden University, Alankomaat), Mario Nonino (UT), Maurilio Pannella (UT; INAF Trieste; IFPU), Laura Pentericci (INAF – Osservatorio Astronomico di Roma, Italia), Francesca Rizzo (Cosmic Dawn Center, Denmark; Niels Bohr Institute, Tanska)

ALMA (Atacama Large Millimetre/submillimetre Array) on kansainvälinen tähtitieteen tutkimusyksikkö, joka on ESO:n, Yhdysvaltain kansallisen tiedesäätiön NSF:n ja Japanin kansallisten luonnontiedeinstituuttien NINS:n välinen kumppanuushanke yhteistyössä Chilen tasavallan kanssa. ALMA:a rahoittavat Euroopassa sen jäsenmaiden puolesta Euroopan eteläinen observatorio (ESO), Pohjois-Amerikassa (NSF) yhteistyössä Kanadan kansallisen tutkimusneuvoston (NRC) ja Taiwanin kansallisen tiede- ja teknologianeuvoston (NSTC) kanssa, sekä Itä-Aasiassa  yhteistyössä Taiwanin Academia Sinican (AS) ja Korean tähtitieteen ja avaruustieteiden instituutin (KASI) kanssa. ALMA:n rakentamista ja toimintaa ohjaa sen jäsenmaiden puolesta ESO, Pohjois-Amerikan osalta Kansallinen radiotähtitieteen observatorio (NRAO), jota hallinnoi Associated Universities, Inc. (AUI), ja Itä-Aasian osalta Japanin Kansallinen tähtitieteellinen observatorio (NAOJ). Yhteinen ALMA-observatorio (JAO) huolehtii ALMA:n rakentamisen, kokoonpanon ja operaation yhtenäisestä johdosta ja hallinnoinnista.

Linkit

• Tutkimusartikkeli
• ALMA:n kuvia
• Lue lisää ESO:n Erittäin suuresta kaukoputkesta
• Median edustaja: Tilaa uutiskirje saadaksesi julkaisusulun alaiset uutiset omalla kielelläsi
• Tukija, onko sinulla kerrottavaa? Pitchaa oma tutkimuksesi!

Yhteystiedot

Luca Di Mascolo
University of Trieste
Trieste, Italy
Sähköposti: luca.dimascolo@units.it

Tony Mroczkowski
European Southern Observatory
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 3200 6174
Sähköposti: tony.mroczkowski@eso.org

Alexandro Saro
University of Trieste
Trieste, Italy
Sähköposti: asaro@units.it

Juan Carlos Muñoz Mateos
ESO Media Officer
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 3200 6176
Sähköposti: press@eso.org

Pasi Nurmi (Lehdistön yhteyshenkilö Suomi)
ESO Science Outreach Network ja University of Turku
Turku, Finland
Puh.: +358 29 4504 358
Sähköposti: eson-finland@eso.org

Connect with ESO on social media