Ще один сюрприз раннього Всесвіту від JWST: зрілий кластер галактик

Кластери галактик можуть містити тисячі окремих галактик і є найбільшими гравітаційно зв'язаними структурами, які ми знаємо у Всесвіті. Вони настільки масивні, що можуть використовуватися як гравітаційні лінзи.

Один з цих давніх кластерів називається XLSSC 122, і він знаходиться у вдалому вирівнюванні з більш віддаленими окремими галактиками. Це робить кластер гравітаційною лінзою, і він викривляє та підсилює світло від віддалених галактик. Астрономи використали JWST для вивчення кластера, і викривлення фону галактики дозволило їм точніше виміряти масу XLSSC 122.

Десять мільярдів років тому більшість кластерів галактик тільки починали формуватися. Але ці спостереження показують, що XLSSC 122 відрізняється від інших кластерів галактик у Всесвіті в той же час. Натомість він є більш масивним, сконцентрованим і організованим, нагадуючи сучасні кластери.

Три нові статті в The Astrophysical Journal представляють результати, які також були представлені на 248-му засіданні Американського астрономічного товариства. Кайл Фіннер, науковий співробітник Інституту обробки та аналізу інфрачервоного випромінювання (IPAC), є головним автором однієї з статей.

"Коли ми отримали перші зображення з JWST, ми сказали: 'вау, дивіться на це, з цього кластера йде сильне лінзування!'" — сказав Фіннер у прес-релізі. "XLSSC 122 тепер встановив рекорд для найбільш віддаленого кластера галактик, що демонструє сильне лінзування, що є цінним інструментом для астрономів."

XLSSC 122 був вперше виявлений більше десяти років тому в 2014 році, коли рентгенівська обсерваторія ESA XMM Newton виявила величезну кількість нагрітого газу в кластері. Спостереження Хаббла підтвердили, що кластер знаходиться на відстані 10,4 мільярдів світлових років. Ці спостереження також показали, що кластер був незвично зрілим у порівнянні з іншими кластерами того ж віку.

Тепер астрономи спостерігали кластер за допомогою JWST і виявили, що це сильна гравітаційна лінза. Характерні дуги викривленого світла були відсутні на зображеннях Хаббла, але були чіткими на зображеннях JWST. "До JWST ми не могли проводити наукові дослідження такого рівня в ранньому, віддаленому Всесвіті," — сказав Фіннер.

Хоча кластери, такі як XLSSC 122, містять величезні кількості зірок і газу, вони містять ще більше темної матерії. Саме темна матерія створює ефект сильного гравітаційного лінзування. Темна матерія також подібна до каркасу, на якому формуються галактики та кластери. Великомасштабна структура Всесвіту складається з філаментів темної матерії, на яких формуються галактики та кластери. Спостереження JWST за XLSSC 122 надають можливість дізнатися більше про темну матерію та її розподіл.

Це зображення JWST показує розмиті оранжеві скупчення, які є центральними галактиками кластера XLSSC 122. JWST виявив характерні дуги світла, що вказують на те, що XLSSC 122 діє як сильна гравітаційна лінза для фонових галактик. Джерело зображення: NASA, ESA, CSA; Кайл Фіннер (Caltech/IPAC) Обробка зображення: Роберт Херт (Caltech/IPAC-SELab)

"Сильне лінзування — це спосіб вимірювання темної матерії, не бачачи її насправді," — сказав Фіннер. "Це дає нам чутливий зонд наших космологічних моделей."

Це композитні кольорові та індивідуальні фільтри зображень XLSSC 122 з JWST. Фіолетові стрілки на зображенні в верхньому лівому куті показують кандидати на сильно лінзовані галактичні дуги. Джерело зображення: Кайл Фіннер та ін. 2025 ApJL 994 L35

Кластер також діє як слабка гравітаційна лінза. Слабке гравітаційне лінзування не впливає на окремі галактики так, як сильне лінзування. Воно лише трохи спотворює фонові галактики і покладається на великі вибірки, щоб відновити масовий підпис. Сильне лінзування дозволило дослідникам виміряти масу центру кластера, а слабке лінзування дозволило їм виміряти масу по всьому кластеру, включаючи його периферійні галактики.

"Слабке гравітаційне лінзування може обмежити масу набагато далі, тому ви можете отримати кращу картину навколишньої області кластера," — сказав Фіннер.

Це зображення JWST показує ширшу область кластера XLSSC 122. Найяскравіша галактика кластера (BCG) показана жовтим квадратом у центрі. Кандидати на членство в кластері, ідентифіковані за допомогою спектроскопії, показані зеленими колами, а ті, що знайдені фотометрично, показані магентовими колами. Джерело зображення: Закарі П. Скофілд та ін. 2026 ApJL 999 L1

Астрономи використовували інші телескопи для спостереження за кластером по всьому електромагнітному спектру. Рентгенівські та радіоспостереження показують, що XLSSC 122 все ще проходить процес злиття, оскільки його галактики наближаються одна до одної. В одній з нових статей автори використали дані з Chandra, MeerKat, ALMA та JWST, щоб "... виявити послідовне NE–SW подовження через набори даних і виражене зміщення вздовж тієї ж осі між піками SZ і маси/рентгенівських променів, що вказує на значну активність злиття."

JWST також спостерігав внутрішньокластерне світло (ICL) в XLSSC 122, і ці результати представлені в третій статті. ICL походить не з галактик у кластері, а від окремих зірок, які були припливно відірвані від своїх галактик. ICL є надзвичайно слабким, але може багато розповісти астрономам про історію злиття кластера. ICL XLSSC 122 показує, що ці від'єднані зірки все ще розкидані і ще не зібралися в гравітаційно домінуючому ядрі кластера. Це вказує на те, що злиття триває.

Ці оброблені зображення XLSSC 122 виявляють дуже слабке ICL у кластері, показане з усім іншим, що віднято, у середньому стовпці, де воно видно як сіра форма в нижньому правому куті. Джерело зображення: Хьонгджин Чу та ін. 2026 ApJL 1002 L17

"Ця південна особливість представляє собою значний надлишок дифузного випромінювання, що простягається приблизно на 100 кпк від BCG," — зазначає третя стаття. "Її просторове вирівнювання з надлишковою щільністю членів галактики та незалежними асиметріями в багаточастотному діапазоні (рентгенівські, радіо та SZ) сильно вказує на походження з припливно відірваних зірок, що є наслідком триваючих або недавніх динамічних взаємодій у кластері."

Слід ICL також збігається з концентрацією темної матерії, виявленою за допомогою сильного гравітаційного лінзування. "У цьому кластері внутрішньокластерне світло фактично відслідковує темну матерію," — сказав Фіннер. "Це світло говорить нам, що кластер перебуває в стані злиття."

Це ще один приклад того, як JWST показує нам ранній Всесвіт у спосіб, якого ми ніколи раніше не бачили. Знайшовши давній кластер, який здається більш еволюційно розвиненим, ніж повинен бути, він змушує вчених уточнювати свої моделі космології та еволюції Всесвіту. Наступний крок — знайти більше кластерів, подібних до XLSSC 122, якщо вони існують.

"Ще рано в епоху JWST," — сказав Фіннер, "і якщо ми зможемо почати отримувати дані про десятки або сотні таких об'єктів на цьому етапі у Всесвіті, тоді ми зможемо дійсно почати перевіряти наші космологічні моделі."