Uitdagende Conventionele Wijsheid – Astronomen Ontdekken de Dubbele Aard van Melkweggroepen en Clusters

Onderzoek geleid door de Universiteit van Tartu onthult diepere onderscheidingen tussen sterrenstelselgroepen en -clusters dan voorheen begrepen, waarbij twee unieke klassen met hun eigen vormings- en evolutieprocessen worden geïdentificeerd. Deze studie, gericht op het kosmisch web, bevordert onze kennis van de dynamiek van sterrenstelselsystemen en de impact van hun omgeving.

Een algemeen idee onder astronomen is dat sterrenstelselgroepen en -clusters voornamelijk verschillen in het aantal sterrenstelsels dat ze bevatten - er zijn minder sterrenstelsels in groepen en meer in clusters. Onder leiding van Maret Einasto hebben astronomen van het Tartu Observatorium van de Universiteit van Tartu besloten dat nader te onderzoeken en ontdekten ze nog meer verschillen tussen groepen en clusters.

De structuur van het universum kan worden beschreven als een gigantisch netwerk, een kosmisch web, met ketens (filamenten) van afzonderlijke sterrenstelsels en kleine groepen sterrenstelsels die rijke sterrenstelselgroepen en -clusters verbinden die duizenden sterrenstelsels kunnen bevatten. Tussen de sterrenstelselsystemen bevinden zich gigantische leegtes met bijna geen zichtbare materie (sterrenstelsels en gas). Sterrenstelselgroepen en -clusters kunnen op hun beurt nog grotere systemen vormen die superclusters worden genoemd.

In hun studie gebruikten de astronomen van Tartu gegevens over sterrenstelselgroepen, hun helderste sterrenstelsels (zogenaamde hoofdsterrenstelsels) en hun omgeving. Het doel was om deze gegevens te combineren om te zien of het nieuwe informatie kon opleveren over de mogelijke classificatie van groepen van verschillende groottes.

De studie toonde aan dat sterrenstelselgroepen en -clusters kunnen worden onderverdeeld in twee klassen met nogal verschillende eigenschappen. De fysieke processen die invloed hebben op de vorming en evolutie van de hoofdsterrenstelsels in groepen en clusters verschillen in rijke en arme groepen. In het onderzoek beschreven de onderzoekers de omgeving van de groepen op twee verschillende manieren. Ten eerste beschreven ze het kosmisch web in termen van het algemene dichtheidsveld, met superclusters als de grootste hoogdichtheidsregio's en leegtes als de laagdichtheidsregio's. Ten tweede berekenden ze de afstand van de dichtstbijzijnde filamentas voor elke sterrenstelselgroep. Deze afstand toont aan of de groep zich in een filament bevindt, er dichtbij of ver vandaan is.

Elke gekleurde cirkel geeft een sterrenstelselgroep of -cluster weer. De rijkste sterrenstelselclusters zijn gemarkeerd in rood; dit zijn de rijkste sterrenstelselclusters in de Hercules en Leo superclusters. De zijpanelen tonen de helderste sterrenstelsels van deze clusters uit de Sloan Digital Database. De gele, groene en blauwe cirkels vertegenwoordigen sterrenstelselgroepen van de helderste tot de zwakste. Credit: Maret Einasto

Onderzoekers verdeelden de hoofdsterrenstelsels van sterrenstelselgroepen in sterrenstelsels zonder actieve stervorming (deze sterrenstelsels zijn overwegend rood) en degene waar stervorming momenteel actief is (jonge sterren geven deze sterrenstelsels hun blauwe kleur). Ze vonden echter ook rode vormende sterrenstelsels onder de hoofdsterrenstelsels van de groepen.

Bij het vergelijken van de eigenschappen van de hoofdsterrenstelsels in groepen met verschillende helderheid (of rijkdom), werd vastgesteld dat groepen onder te verdelen zijn in twee hoofdklassen - hoogheldere groepen en clusters, waarin bijna alle hoofdsterrenstelsels niet-ster-vormende rode sterrenstelsels zijn, en laagheldere arme groepen, die naast die zonder actieve stervorming ook blauwe of rode ster-vormende sterrenstelsels als de hoofdsterrenstelsels kunnen hebben.

De verschillen tussen groepen en clusters zijn niet beperkt tot helderheid - elk monster kan op basis van één kenmerk in tweeën worden verdeeld. Daarnaast werd vastgesteld dat hoogheldere sterrenstelselgroepen en -clusters allemaal gelegen zijn in filamenten in hoogdichtheidsgebieden. Alle helderste en rijkste clusters bevinden zich in filamenten in superclusters. In tegenstelling daarmee kunnen laagheldere sterrenstelselgroepen en enkele sterrenstelsels overal in het kosmisch web worden gevonden, inclusief in laagdichtheidsgebieden - in leegtes, gelegen in dunne filamenten, of zelfs vrij ver weg van filamenten. Interessant is dat in superclusters de helderheid van arme sterrenstelselgroepen met hetzelfde aantal leden veel hoger is dan buiten superclusters.

De studie toonde aan dat de dynamische eigenschappen van rijke groepen met hoofdsterrenstelsels die niet langer stervormend zijn, ook verschillen van die van groepen met hoofdsterrenstelsels met actieve stervorming. In de eerstgenoemde zijn de hoofdsterrenstelsels voornamelijk gevestigd in het midden van de groep of cluster, terwijl de stervormende hoofdsterrenstelsels vrij ver van het groepscentrum kunnen zijn. Astronomen ontdekten dat de relatie tussen de stellaire snelheidsdispersies van de hoofdgroepen en de snelheidsdispersies van de groep, die bekend is uit eerdere studies, niet opgaat in het geval van zeer rijke clusters, vooral in clusters met niet-stervormende hoofdsterrenstelsels.

Describing the properties of the structure of the Universe and how they form and evolve is one of the fundamental tasks of cosmology. The results extend our understanding of the formation and evolution of galaxy groups and clusters and their main galaxies in the cosmic web. Rich galaxy clusters can only form in regions where the overall density of matter is sufficiently high and where there is plenty of gas necessary for star formation. In such regions, rich clusters can be joined by other (equally rich) groups and clusters. In low-density regions (the currently void areas), only rather poor groups can form, which are located quite far apart, and thus, there are few mergers.

The research results also suggest that the physical processes influencing the formation and evolution of the main galaxies in groups and clusters are different in rich and poor groups. The evolution of single galaxies and main galaxies in small groups is mainly influenced by processes in and around their dark matter haloes; the impact of other galaxies and more distant surroundings (galaxy group mergers, etc.) is important primarily in rich clusters. Our study also underlined the importance of galaxy superclusters as a unique environment for the formation and evolution of galaxies and galaxy systems.

In researching galaxies and galaxy groups, the next step of the working group will be using the new observational data, including data on very faint galaxies. Tartu Observatory participates in a number of such observation programs.

Reference: “Galaxy groups and clusters and their brightest galaxies within the cosmic web” by Maret Einasto, Jaan Einasto, Peeter Tenjes, Suvi Korhonen, Rain Kipper, Elmo Tempel, Lauri Juhan Liivamägi and Pekka Heinämäki, 22 January 2024, Astronomy & Astrophysics. DOI: 10.1051/0004-6361/202347504

Funding: Alfred P. Sloan Foundation, U.S. National Science Foundation, U.S. Department of Energy, National Aeronautics and Space Administration, the Japanese Monbukagakusho, Max Planck Society, Higher Education Funding Council for England, ICRAnet through a professorship for Jaan Einasto, Vilho, Yrjö and Kalle Väisälä Foundation, Estonian Research Council