Gromady galaktyk stanowią potężne zbiory setek czy nawet tysięcy galaktyk zanurzonych w potężnych obłokach gorącego gazu, które z kolei zanurzone są w masywnych obłokach ciemnej materii czyli niewidocznej materii, która nie emituje i nie pochłania światła, ale może być obserwowana dzięki oddziaływaniu grawitacyjnemu z materią barionową. Te kosmiczne olbrzymy nie tylko stanowią ciekawostkę dzięki swojemu rozmiarowi — w rzeczywistości są one naszą ścieżką do zrozumienia ewolucji całego Wszechświata w przeszłości oraz jego losu w przyszłości.
Aby dowiedzieć się więcej o tych gromadach, włącznie z tym jak rosną wskutek kolizji, astronomowie wykorzystali jedne z najsilniejszych teleskopów na Ziemi obserwujące różne zakresy promieniowania. Wszystkie zwierciadła zostały skierowane na długi czas w stronę kilku gromad galaktyk. Cały projekt obserwacji gromad galaktyk nosi nazwę „Frontier Fields”.
Dwie spośród obserwowanych gromad galaktyk: MACS J0416.1-2403 (w skrócie MACS J0416) oraz MAC J0717.5+3745 (MACS J0717) przedstawiono tutaj na mozaikach złożonych ze zdjęć wykonanych w różnych zakresach promieniowania.
Znajdująca się ok. 4.3 miliarda lat świetlnych od Ziemi, MACS J0416 to para zderzających się ze sobą gromad galaktyk, które z czasem połączą się tworząc jedną, większą gromadę. MACS J0717, jedna z najbardziej złożonych i zaburzonych gromad galaktyk, stanowi efekt zderzenia aż czterech gromad. Znajduje się ona 5.4 miliarda lat świetlnych od Ziemi.
Powyższe zdjęcia MACS J0416 oraz MACS J0717 przedstawiają dane zebrane przez trzy różne teleskopy: Obserwatorium Rentgenowskie Chandra (rozmyta emisja w kolorze niebieskim), Kosmiczny Teleskop Hubble’a (czerwony, zielony i niebieski) oraz Jansky Very Large Array (rozmyta emisja w kolorze różowym). Tam gdzie emisja rentgenowska i radiowa nakładają się na siebie, na zdjęciu widać kolor fioletowy. Astronomowie wykorzystali także dane z Giant Metrewave Radio Telescope w Indiach do zbadania właściwości MACS J0416.
Dane z obserwatorium Chandra przedstawiają gaz w łączących się gromadach o temperaturach sięgających milionów stopni. Dane optyczne przedstawiają galaktyki leżące w gromadach oraz inne, odleglejsze galaktyki, znajdujące się za gromadami. Niektóre z tych galaktyk znajdujących się w tle wydają się bardzo zaburzone z uwagi efekt soczewkowania grawitacyjnego – zakrzywiania promieni przez masywne obiekty. Efekt ten pozwala także powiększyć ilość promieniowania od odległych obiektów, co pozwala astronomom badać galaktyki znajdujące się znacznie dalej niż byłoby to możliwe bez soczewki. Struktury danych radiowych przedstawiają potężne fale uderzeniowe i turbulencje. Fale uderzeniowe podobne do gromu dźwiękowego powstają właśnie podczas łączenia gromad.
Nowe wyniki badań w szerokim zakresie promieniowania opisano w dwóch osobnych artykułach.
Źródło: Rentgenowskie: NASA/CXC/SAO/G. Ogrean et al.; Optyczne: NASA/STScI; Radio: NSF/NRAO/VLA
MACS J0416:
Otwartym pytaniem dotyczącym MACS J0416 jest od dawna: czy to co widzimy to kolizja gromad do której niedługo dojdzie, czy taka do której już doszło? Do niedawna naukowcy nie byli w stanie odróżnić tych dwóch zjawisk. Teraz dane zebrane przez trzy różne obserwatoria pozwalają na uzyskanie odpowiednich wskazówek.
W przypadku MACS J0416 ciemna materia (która pozostawia ślad grawitacyjny w danych optycznych) oraz gorący gaz (wykryty przez obserwatorium Chandra) nakładają się na siebie. To wskazuje, że galaktyki obserwujemy tuż przed zderzeniem. Jeżeli oglądalibyśmy je już po zderzeniu ciemna materia i gorący gaz powinny oddzielić się od siebie – tak jak ma to miejsce w przypadku słynnego układu zderzających się gromad galaktyk o nazwie Gromada Pocisk.
Gromada w górnym lewym rogu zdjęcia zawiera zwarte jądro gorącego gazu, najwyraźniej zauważalne w specjalnie obrobionym zdjęciu, oraz pobliską pustkę w gazie emitującym promieniowanie w zakresie rentgenowskim. Obecność tych struktur wskazuje także, że w niedawnej historii nie doszło tam do żadnej dużej kolizji, inaczej tego typu obiekty byłyby silnie zaburzone. Co więcej, brak wyraźnych struktur w zakresie radiowym wskazuje na to, że do zderzenia jeszcze nie doszło.
W gromadzie znajdującej się w dolnym, prawym rogu obserwatorzy dostrzegli wyraźną zmianę gęstości na południowej krawędzi gromady. Ta zmiana gęstości najprawdopodobniej spowodowana jest kolizją między tą gromadą i mniej masywną strukturą znajdującą się jeszcze niżej po prawej.
Źródło: Rentgenowskie: NASA/CXC/SAO/van Weeren et al.; Optyczne: NASA/STScI; Radio: NSF/NRAO/VLA
MACS J0717
W zdjęciach tej gromady wykonanych za pomocą sieci Jansky Very Large Array dostrzegamy siedem grawitacyjnie soczewkowanych źródeł. Wszystkie są widoczne jako źródła punktowe lub niewiele większe od punktu. To sprawia, że MACS J0717 to gromada w której znajduje się najwięcej soczewkowanych radio-źródeł. Dwa z nich widoczne są także na zdjęciach wykonanych za pomocą Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra.
Wszystkie soczewkowane radio-źródła to galaktyki znajdujące się między 7.8 a 10.4 miliardów lat świetlnych od Ziemi. Jasność tych galaktyk w zakresie promieniowania radiowego wskazuje, że bardzo intensywnie powstają tam gwiazdy. Bez wzmocnienia za pomocą soczewkowania grawitacyjnego, niektóre z tych źródeł radiowych byłyby zbyt słabe, aby udało się je dostrzec. Dwa źródła rentgenowskie dostrzeżone na zdjęciach z obserwatorium Chandra to najprawdopodobniej aktywne źródła galaktyk (AGN) znajdujące się w centrach galaktyk. AGN to zwarte, jasne źródła napędzane przez gaz podgrzany do milionów stopni podczas opadania na supermasywną czarną dziurę. Te dwa źródła rentgenowskie można by było wykryć bez soczewkowania, ale byłyby dwa do trzech razy słabsze.
Duże łuki emisji radiowej w MACS J0717 bardzo różnią się od tych w MACS J0416 ze względ na fale uderzeniowe powstałe podczas wielokrotnych zderzeń. Emisja rentgenowska w MACS J0717 charakteryzuje się większą ilością zagęszczeń, powstałych wskutek brutalnego zderzenia czterech gromad galaktyk.
Georgiana Ogrean, która pracowała na Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics podczas prac nad MACS J0416, aktualnie pracuje na Stanford University. Artykuł opisujący badania został opublikowany 20 października 2015 roku w periodyku Astrophysical Journal i jest dostępny online. Badania MACS J0717 prowadzone przez Reinouta van Weeren z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics zostały opublikowane 1 lutego 2016 roku w Astrophysical Journal i są dostępne online.
Źródło: NASA