Milžiniškas sukiojantis galaktikų filamentos atradimas

Astronomų komanda identifikavo milžinišką, besisukantį galaktikų siūlą, kuris atrodo sukinėjantis kaip lėta kosminė tornada. Besidriekiantis dešimtims milijonų šviesmečių, šis naujai apibūdintas filamentos segmentas yra ne tik ilgiausia iki šiol stebėta rotuojanti struktūra, bet ir suteikia naujų įžvalgų apie tai, kaip galaktikos įgyja kampinį momentą bei kaip nematoma Visatos sija formuoja matomą materiją.

Siuvelis galaktikų su netikėta pasukimo ašimi

Maždaug už 440 milijonų šviesmečių nuo Žemės tyrėjai pirmąkart pastebėjo neįprastą galaktikų išsidėstymą radijo stebėjimuose, atliktuose MEERKAT teleskopu per MIGHTEE apžvalgą. Iš pradžių buvo identifikuotos keturiolika galaktikų, išsidėsčiusių neįprastai tiesia, adatos formos linija — apie 5,5 milijono šviesmečių ilgio ir maždaug 117 000 šviesmečių pločio. Jų orientacijos kryptys buvo koreliuotos palei visą struktūros ašį, tai yra modelis, per daug reguliarus, kad būtų vien statistinė atsitiktinumas.

Norėdami patikrinti, ar toks išsidėstymas yra lokali anomalija, ar dalis didesnio reiškinio, mokslininkai palygino lauką su viešai prieinamais optiniais ir infraraudonųjų spindulių duomenimis: Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ir Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) duomenų bazėmis. Rezultatas buvo įspūdingas. Dar 283 galaktikos, esančios praktiškai tokio paties atstumo, buvo rastos toje pačioje ašyje, ir jos taip pat rodė nuolatinę orientacijos koreliaciją palei filamentą.

Pradinė radijo atranka, papildyta plataus lauko optiniais ir spektriniais duomenimis, leido tyrėjams suformuoti kur kas platesnį narių sąrašą ir pradėti analizuoti dinamiką bei erdvinę struktūrą. Tokia kelių bangos ilgių sintezė yra esminė šiuolaikinei kosmologinei astronomijai, nes leidžia atskirti geometrinius sutapimus nuo realių kinematinių judesių.

Rotacija kosminiame mastelyje: raudonasis poslinkis atskleidžia informaciją

Vien tik orientacija būtų buvusi įdomi. Tačiau atradimą plačiau pagarsino kinematiniai duomenys. Matuodami raudonojo poslinkio (redshift) skirtumus per filamentą, astronomai aptiko sistemingą modelį, suderinamą su sukimu. Vienoje siūlo pusėje galaktikų šviesa buvo šiek tiek paslinkta link mėlynosios spektro dalies, kas reiškia judėjimą link mūsų; kitoje pusėje šviesa buvo raudonai paslinkta, rodant, kad judesys nukreiptas nuo mūsų. Kinematinis modeliavimas nurodė tangentinį greitį maždaug 110 kilometrų per sekundę — panašų į santykinį Paukščių Tako ir Andromedos galaktikų priartėjimo greitį.

Šie matavimai naudojo spektrines linijas ir jų poslinkius, gaunamus iš optinių ir infraraudonųjų spektrų. Spektroskopinės charakteristikos leido tiksliai nustatyti linijų centruosius poslinkius ir taip išskirti linijinės tėkmės arba vietinių turbulencijų įtaką. Kartu su erdvine projekcija tai leido skaičiuoti poslinkių gradientą per siūlą bei vertinti, ar stebimas efektas yra bendras sukimosi požymis, ar sudėtinga vietinė dinamika.

Filamento scheminis iliustravimas

Toks modelis reiškia, kad visas filamento kūnas turi vorotikalinio pobūdžio judesį aplink savo stuburą. Jei šis rezultatas bus patvirtintas papildomais stebėjimais, struktūra taps ilgiausiu iki šiol atrastu vienodu rotuojančiu siūlu, suteikiant tiesioginius stebėjimo duomenis, kad didelio masto kosminės struktūros gali nešti kampinį momentą.

Stebėto sukimosi amplitudė ir kryptis taip pat leidžia pradėti modeliuoti filamento masės paskirstymą ir įvertinti, kiek judesio susiję su matoma baryonine materija (pvz., dujos ir žvaigždės) bei kiek — su tamsiąja materija. Tokie palyginimai yra būtini, norint suprasti, ar rotacija yra tik dujinio srauto reiškinys, ar giliau integruota tamsiosios materijos dinamika.

Kodėl tai svarbu: ryšys su kosmine web ir galaktikų formavimu

Filamentas gyvena kosminėje web — didžiulėje tamsiosios materijos ir dujų tinklo struktūroje, kuri organizuoja galaktikas į gijas, plokštumas ir tuštumas. Nors kosminės web tiesiogiai nematome, ji valdo, kur materija kaupiasi ir kaip galaktikos auga. Atranka palaiko teorines prognozes, išvestas iš potvynių sukimo (Tidal Torque) modelių: ankstyvosiose Visatos fazėse asimetrijos perdavė kampinį momentą besiformuojančioms gijų struktūroms, o šios savo ruožtu dalį to momento perduoda joms priklausančioms galaktikoms.

Kampinio momento perdavimas ir Tidal Torque teorija

Tidal Torque teorija numato, kad gravitacinės sąveikos ankstyvojo struktūrų formavimosi metu suteikia sukimąsi žlugantiems regionams. Stebėjimas, kad šio filamento galaktikos dalijasi tiek orientacijos, tiek rotacijos bruožais, rodo, jog filamentos gali veikti kaip kampinio momento konvejeriai, nustatantys galaktikų sukimąsi jų ankstyvajame gyvenimo etape.

Techniniu požiūriu, kai medžiaga teka palei giją į galaktikų mazgus, ji gali prarasti arba įgyti anguliarią impulsą per netoliese esančių sankaupas ir tarpusavio sąveikas. Šios grandininės reakcijos lemia, kad galaktikų diskai ir jų ašys nėra vien tik vietinės kilmės, bet gali atspindėti platesnio masto dinaminius procesus. Tokios sąsajos tarp gijų ir galaktikų yra svarbios modeliuojant diskų formavimąsi, žvaigždžių susidarymo intensyvumą ir galaktikų evoliuciją.

Žvaigždėdaros kuro rezervuaras

Filamentas taip pat turi difuzinio, šalto neutralaus vandenilio (HI) dujų apvalkalą, o filamento narės yra turtingos vandenilio — tai deponuota medžiaga žvaigždėdarai. Kosminės gijos gali atlikti dvilypį vaidmenį: jos tiekia medžiagą į galaktikas, tiek įspraudžia rotacinius komponentus, kurie formuoja galaktikų dinamiką ir evoliuciją.

Dujų temperatūra, tankis ir srauto greitis lems, kiek efektyviai vandenilis galės kristi į galaktikų centrus ir aprūpinti žvaigždžių formavimąsi. Jei filamento dujos yra pakankamai šaltos ir tankios, jos gali palaikyti ilgalaikį medžiagos tiekimą, skatinant nuolatinę žvaigždėdarą ir formuojant didelių diskų galaktikas regione.

Stebėjimai ir instrumentai, stovėję už atradimo

Šis rezultatas yra puikus daugiabangio (multi-wavelength) astronomijos pavyzdys. Pradinis aptikimas remėsi MEERKAT radijo duomenimis iš MIGHTEE apžvalgos, kurie leido identifikuoti neįprastą vandenilio turinčių sistemų koncentraciją. Optinis ir infraraudonųjų spindulių aprėptis iš SDSS ir DESI išplėtė galaktikų skaičių sąraše ir pridėjo tikslius raudonojo poslinkio matavimus, reikalingus greičiams žemėlapiuose žymėti.

Specifiškai, radijo interferometrija atskleidė HI spinduliuotės šaltinius ir jų erdvinius išsidėstymus, o optinės-spektroskopinės priemonės suteikė linijų poslinkio vertes. Integruotos priemonės leido pereiti nuo įdomios geometrinės sąsajos prie tvirtesnio kinematinio matavimo — tai yra momentas, kai hipotezė tampa empiriškai aprėpiama.

Ateityje papildomi stebėjimai su aukštesne erdvine ir spektroskopine raiška gali ištirti filamento tamsiosios materijos pasiskirstymą, dujų temperatūrą ir detalią rotacijos profilį. Tokie stebėjimai apimtų radio interferometrus didelės bazės atstumu, integralinių laukų spektrografus (IFS), taip pat gilesnes ir platesnes optines bei infraraudonųjų apžvalgas.

Implikacijos kosmologijai ir galaktikų evoliucijai

Tokio ilgio rotuojančio siūlo atradimas kelia ribojimus didelio masto struktūrų formavimosi modeliams. Jis parodo, kad kampinis momentas gali būti koherentiškai organizuotas erdvėlaikyje mastais, žymiai didesniais už atskiras galaktikas, kas gali paveikti galaktikų susijungimus, diskų formavimąsi ir žvaigždėdaros istorijas. Jei gijos reguliariai perduoda sukimąsi galaktikoms, tai gali paaiškinti kai kurias didelio masto koreliacijas galaktikų orientacijoje, pastebėtas apžvalgose.

Tyrėjai pažymi, kad šis filamentos segmentas yra puiki laboratorija tirti sąveiką tarp mažo tankio tarpgalaktinių dujų ir galaktikų augimo, kadangi šalto vandenilio atsargos rodo, jog vyksta nuolatinis accretavimas ir egzistuoja kuras žvaigždėdarai. Tokie regionai leidžia stebėti, kaip medžiaga teka per gijas, kaupiasi į galaktikas ir kaip kampinis momentas formuoja galaktikų ašių evoliuciją.

Giluminis lauko vaizdas, gautas naudojant JWST

Ekspertų įžvalgos

Dr. Maya Cavendish, observacinė kosmologė, nepaloidavusi prie tyrimo, komentuoja: „Šis aptikimas yra įdomus, nes sujungia geometriją ir judesį išties dideliuose masteliuose. Dažnai įsivaizduojame galaktikas besisukančias izoliuotai, tačiau šis filamentos pavyzdys parodo, kaip jų sukimąsi gali lemti kolektyvinės savybės, nulemtos platesnės tamsiosios materijos tinklo. Jei pavyks patvirtinti daugiau panašių sistemų, sužinosime, ar tokia koherentiška rotacija yra reta, ar įprasta kosminiame web.”

Toks ekspertinis komentaras pabrėžia, kad šis atradimas nėra vien tik įdomus vienetinis atvejis — jis kelia fundamentalius klausimus apie tai, kaip didelio masto struktūros susijusios su vietinėmis galaktikų savybėmis. Dėl to tolimesni tyrimai, apimantys tiek stebėtojus, tiek simuliacijas, yra būtini.

Ką daryti toliau: testai ir būsimieji stebėjimai

Norėdami tęsti tyrimą, astronomai sieks gilesnių, didesnės raiškos žemėlapių dujų ir tamsiosios materijos pasiskirstymo regione aplink filamentą. Tikslinės kampanijos su radijo interferometrais didesnės bazės atstumu, integralinių laukų spektrografais ir naujos kartos apžvalgomis gali atskleisti filamento masės pasiskirstymą ir patikrinti, ar rotacija išplinta į tamsiosios materijos komponentą.

Be to, modeliuojant filtrus su didelio dinaminio diapazono simuliacijomis, galima patikrinti, ar dabartiniai kosmologiniai modeliai natūraliai generuoja tokio tipo ilgas vorotikalines gijas. Simuliacijos, įskaitant tiek baryoninius procesus, tiek tamsiąją materiją, padės nustatyti, ar stebima rotacija gali kilti iš ankstyvųjų gravitacinių momentų, ar yra vėlesnių sąveikų rezultatas.

Todėl papildomi žingsniai apims: plačias radijo žemėlapių kampanijas HI linijai, gilias spektrines apklausas, lęšinio ir gravitacinio laužymo analizes tamsiosios materijos žemėlapiams suformuoti, ir aukšto tikslumo spindulio poslinkio matavimus, kad būtų sumažintos projekcijos ir sistemos geometrijos neaiškumai.

Ar šis kosminis tornadas unikalus, ar vienas iš daugelio panašių reiškinių, išryškėjančių didžiuliuose apžvalgų duomenų rinkiniuose, parodys laikas. Tačiau atradimas pabrėžia koordinuotų apžvalgų galią ir poreikį ieškoti dinaminių požymių didžiausiuose masteliuose. Kosminis tinklas nėra statiška foninė struktūra; jis gali nešti judesį, impulsą ir ankstyvos Visatos „prisiminimus“ į galaktikas, kurias stebime šiandien.

Apibendrinant, šio filamento atradimas atveria naują stebėjimo langą į klausimus apie kampinio momento kilmę, gijų vaidmenį medžiagos tiekime ir galaktikų evoliucijos trajektorijas. Ateities sintezė tarp stebėjimų ir teorinių modelių bus būtina, kad suprastume, kaip plačios Visatos mechanikos formuoja atskiras galaktikas per milijonus ir milijonus metų.

Svarbu pažymėti keletą techninių ir metodologinių aspektų, kurie gali lemti tolimesnių tyrimų kryptis: raudonojo poslinkio matavimo tikslumas, galimų projektinių kampų įtaka, vietinės turbulencijos ir srautų išskyrimas, bei instrumentų jautrumas HI spinduliuotei. Kiekvienas iš šių elementų reikalauja specifinės analizės, kad būtų patikimai atskirtas tikrasis bendras sukimosi signalas nuo potencialiai klaidinančių efektų.

Galiausiai, šis atradimas yra priminimas, kad Visata yra įvairesnė ir dinamiškesnė, nei kartais ją įsivaizduojame. Didelio masto struktūros gali turėti aktyvių, judančių komponentų, kurie yra tiesiogiai susiję su galaktikų savybėmis — orientacija, sukimosi greičiu, diskų formavimu ir žvaigždėdara. Su kiekvienu nauju duomenų sluoksniu mes priartėjame prie suvokimo, kaip didieji Visatos raštai veikia mažesnę, bet gyvybiškai svarbią kosminę ekosistemą: galaktikas.