Utmanar traditionell visdom - astronomer upptäcker dualiteten hos galaxgrupper och kluster

Forskning ledd av Tartu Universitet avslöjar djupare skillnader mellan galaxgrupper och kluster än tidigare förstått, och identifierar två unika klasser med sina egna bildnings- och utvecklingsprocesser. Denna studie, som fokuserar på det kosmiska nätet, fördjupar vår kunskap om galaxsystemens dynamik och påverkan av deras miljöer.

En vanlig uppfattning bland astronomer är att galaxgrupper och kluster främst skiljer sig åt i antalet galaxer de innehåller – det finns färre galaxer i grupper och fler i kluster. Leda av Maret Einasto, astronomer vid Tartu Observatorium vid Tartu Universitet bestämde sig för att undersöka det och upptäckte ännu fler skillnader mellan grupper och kluster.

Universums struktur kan beskrivas som ett gigantiskt nätverk, ett kosmiskt nät, med kedjor (trådar) av enskilda galaxer och små grupper av galaxer som kopplar samman rika galaxgrupper och kluster som kan innehålla tusentals galaxer. Mellan galaxsystemen finns det gigantiska tomrum med nästan ingen synlig materia (galaxer och gas). Galaxgrupper och kluster kan i sin tur bilda ännu större system som kallas superkluster.

I sin studie använde Tartus astronomer data om galaxgrupper, deras ljusstarkaste galaxer (så kallade huvudgalaxer) och deras omgivningar. Målet var att kombinera dessa data för att se om det skulle kunna ge ny information om den möjliga klassificeringen av grupper av olika storlekar.

Studien visade att galaxgrupper och kluster kan delas in i två klasser med ganska olika egenskaper. De fysiska processerna som påverkar bildandet och utvecklingen av huvudgalaxerna i grupper och kluster skiljer sig åt i rika och fattiga grupper. I arbetet beskrev forskarna gruppernas miljö på två olika sätt. Först beskrev de det kosmiska nätet ur betraktelsen av det allmänna densitetsfältet, med superkluster som de största högdensitetsregionerna och tomrum som lågdensitetsregionerna. För det andra beräknade de avståndet från närmaste filamentaxel för varje galaxgrupp. Detta avstånd visar om gruppen är i ett filament, nära eller långt borta från filament.

Varje färgad cirkel visar en galaxgrupp eller kluster. De mest välbeställda galaxklustren är markerade i rött; de här är de rikaste galaxklustren i Hercules och Leos superkluster. Sidopanelerna visar de ljusstarkaste galaxerna i dessa kluster från Sloan Digital Database. De gula, gröna och blåa cirklarna representerar galaxgrupper från de ljusaste till de svagaste. Foto: Maret Einasto

Forskarna delade in huvudgalaxerna i galaxgrupper i galaxer där det inte finns någon aktiv stjärnbildning (dessa galaxer är övervägande röda) och de där stjärnbildning för närvarande är aktiv (unga stjärnor ger dessa galaxer deras blåa färg). Men de hittade också röda stjärnformande galaxer bland gruppernas huvudgalaxer.

Genom att jämföra egenskaperna hos huvudgalaxerna i grupper med olika luminositet (eller rikedom) konstaterades det att grupper faller in i två huvudklasser – hög-luminositetsgrupper och kluster, i vilka nästan alla huvudgalaxer är icke-stjärnformande röda galaxer, och låg-luminositetsfattiga grupper, som förutom de utan aktiv stjärnbildning, också kan ha blåa eller röda stjärnformande galaxer som huvudgalaxer.

Skillnaderna mellan grupper och kluster begränsas inte till luminositet – varje prov kan delas in i två baserat på en egenskap. Dessutom konstaterades det att högluminositetsgalaxgrupper och kluster alla är belägna i filament i högdensitetsregioner. Alla de ljusaste och rikaste klustren ligger i filament i superkluster. I kontrast kan låg-luminositetsgalaxgrupper och enskilda galaxer hittas överallt i det kosmiska nätet, inklusive i lågdensitetsregioner - i tomrum, belägna i glest befolkade filament eller till och med ganska långt borta från filament. Intressant är att i superkluster, är luminositeten hos fattiga galaxgrupper med samma antal medlemmar mycket högre än utanför superkluster.

Studien visade att de dynamiska egenskaperna hos rika grupper med huvudgalaxer som inte längre är stjärnformande skiljer sig också från de hos grupper med huvudgalaxer med aktiv stjärnbildning. I de tidigare är huvudgalaxerna mestadels belägna i gruppen eller klustret centrum, medan de stjärnformande huvudgalaxerna kan vara ganska långt från gruppens centrum. Astronomer fann att sambandet mellan stjärnornas hastighetsspridningar hos huvudgalaxer och gruppens hastighetsspridningar, som är känt från tidigare studier, inte gäller i fallet med mycket rika kluster, särskilt i kluster med icke-stjärnformande huvudgalaxer.

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