Kwestionowanie Tradycyjnej Mądrości - Astronomowie Odkrywają Podwójną Naturę Grup i Gromad Galaktyk

Badania prowadzone przez Uniwersytet w Tartu ujawniają głębsze różnice między grupami galaktyk oraz gromadami, niż dotychczas zrozumiano, identyfikując dwie unikalne klasy z własnymi procesami formowania i ewolucji. To badanie, skupiające się na tzw. sieci kosmicznej, poszerza naszą wiedzę na temat dynamiki systemów galaktycznych oraz wpływu ich środowiska.

Wśród astronomów powszechne jest przekonanie, że grupy galaktyk i gromady różnią się głównie ilością galaktyk, które zawierają - w grupach jest ich mniej, a w gromadach więcej. Na czele z Maret Einasto, astronomowie z Obserwatorium Tartu na Uniwersytet w Tartu postanowili to zbadać i odkryli jeszcze więcej różnic między grupami i gromadami.

Strukturę Wszechświata można opisać jako gigantyczną sieć, sieć kosmiczną, z łańcuchami, czyli filamentami, pojedynczych galaktyk i małych grup galaktyk, które łączą ze sobą bogate grupy galaktyk i gromady, mogące zawierać tysiące galaktyk. Między systemami galaktyk znajdują się gigantyczne pustki z prawie niewidoczną materią (galaktyki i gaz). Grupy i gromady galaktyk mogą z kolei tworzyć jeszcze większe systemy, zwane supergromadami.

W swoim badaniu, astronomowie z Tartu wykorzystali dane na temat grup galaktyk, ich najjaśniejszych galaktyk (tzw. galaktyk głównych) oraz ich otoczenia. Celem było połączenie tych danych, aby sprawdzić, czy mogą one dostarczyć nowych informacji na temat ewentualnej klasyfikacji grup różnej wielkości.

Badanie wykazało, że grupy galaktyk i gromady można podzielić na dwie klasy o dość różnych właściwościach. Procesy fizyczne, które wpływają na powstawanie i ewolucję głównych galaktyk w grupach i gromadach, różnią się w bogatych i biednych grupach. W badaniu, badacze opisali środowisko grup na dwa różne sposoby. Po pierwsze, opisali sieć kosmiczną pod kątem ogólnego pola gęstości, z supergromadami jako największymi regionami o dużej gęstości, a pustkami jako regionami o niskiej gęstości. Po drugie, obliczyli odległość od najbliższej osi filamentu dla każdej grupy galaktyk. Ta odległość pokazuje, czy grupa znajduje się w filamencie, blisko czy daleko od filamentów.

Każdy kolorowy okrąg przedstawia grupę lub gromadę galaktyk. Najbogatsze gromady galaktyk są oznaczone na czerwono; są to najbogatsze gromady galaktyk w supergromadach Hercules i Leo. Boczne panele pokazują najjaśniejsze galaktyki tych gromady z bazy danych Sloan Digital. Żółte, zielone i niebieskie okręgi reprezentują grupy galaktyk od najjaśniejszych do najmniej jasnych. Autorem jest Maret Einasto.

Naukowcy podzielili główne galaktyki grup galaktyk na galaktyki bez aktywnego formowania gwiazd (te galaktyki są przeważnie czerwone) i takie, w których obecnie zachodzi formowanie gwiazd (młode gwiazdy nadają tym galaktykom ich niebieski kolor). Wśród głównych galaktyk w grupach znaleźli jednak również czerwone galaktyki formujące gwiazdy.

Porównując właściwości głównych galaktyk w grupach o różnej jasności (lub bogactwie), stwierdzono, że grupy dzielą się na dwie główne klasy - grupy o dużej jasności i gromady, w których prawie wszystkie główne galaktyki to czerwone galaktyki bez formowania gwiazd, i biedne grupy o niskiej jasności, które mogą mieć, oprócz tych bez aktywnego formowania gwiazd, również niebieskie lub czerwone galaktyki formujące gwiazdy jako główne galaktyki.

Różnice między grupami i gromadami nie ograniczają się do jasności - każdą próbkę można podzielić na dwie części na podstawie jednej cechy. Ponadto stwierdzono, że grupy i gromady galaktyk o dużej jasności znajdują się wszystkie w filamentach w regionach o dużej gęstości. Najjaśniejsze i najbogatsze gromady znajdują się w filamentach supergromad. W przeciwieństwie do tego, biedne grupy galaktyk i pojedyncze galaktyki o niskiej jasności można znaleźć wszędzie w sieci kosmicznej, również w regionach o niskiej gęstości - w pustkach, położonych w rzadkich filamentach, lub nawet dość daleko od filamentów. Co ciekawe, w supergromadach, jasność biednych grup galaktyk o tej samej liczbie członków jest znacznie większa niż poza supergromadami.

Badanie wykazało, że dynamiczne właściwości bogatych grup z głównymi galaktykami, które już nie tworzą gwiazd, różnią się również od tych grup, w których główne galaktyki są aktywne w formowaniu gwiazd. W tych pierwszych, główne galaktyki są głównie zlokalizowane w centrum grupy lub gromady, podczas gdy galaktyki główne, formujące gwiazdy, mogą być dość daleko od centrum grupy. Astronomowie odkryli, że znana z poprzednich badań zależność między dyspersją prędkości gwiazdowych głównych galaktyk a dyspersją prędkości grupy, nie ma miejsca w przypadku bardzo bogatych gromad, szczególnie tych z nieformującymi gwiazd głównymi galaktykami.

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