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L’antenato di un ‘ammasso di ammassi’ di galassie ha una massa 5000 volte superiore a quella della Via Lattea e si trova in una delle regioni più dense della rete cosmica mai osservate.
Un team internazionale di astronomi ha scoperto il progenitore più lontano di un superammasso di galassie mai realizzato.
La scoperta supporta teorie esistenti su come gli ammassi di galassie evolvano e rivela come siano collegati alla rete cosmica più ampia.
Lo studio si basa principalmente sui dati dell’indagine ODIN, condotta con la Dark Energy Camera prodotta dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti sul telescopio Víctor M. Blanco da 4 metri della National Science Foundation in Cile.
Gli ammassi di galassie sono le strutture gravitazionalmente più massicce dell’Universo.
Questi colossali raggruppamenti di centinaia a migliaia di galassie si estendono su milioni di anni luce. Sono tenuti insieme da grandi concentrazioni di materia oscura, che funge da mattone per la struttura più ampia dell’Universo.
Gli ammassi che gli scienziati osservano relativamente vicino a noi nello spazio e nel tempo sono strutture mature che si sono evolute da quelli che sono noti come ‘protoammassi’.
Questi protoammassi sono enormi e debolmente legate raccolte di galassie che stanno fondendosi tra loro ma non si sono ancora stabilizzate in un ammasso stabile. Studiando protoammassi molto lontani che si sono formati quando l’Universo era relativamente giovane, gli scienziati possono comprendere come gli ammassi di galassie moderni siano cresciuti ed evoluti nel tempo.
Con questo obiettivo, un team internazionale di scienziati guidato da Vandana Ramakrishnan, studentessa laureata alla Purdue University al momento dello studio, ha guardato miliardi di anni indietro nel tempo per cercare questi antichi progenitori di ammassi di galassie.
Il team presenta i propri risultati in un articolo pubblicato su The Astrophysical Journal.
“Con questo progetto, speriamo di comprendere la crescita delle strutture massicce nell’Universo e come influenzino l’evoluzione delle galassie al loro interno,” afferma Ramakrishnan. “Speriamo anche di avere una migliore comprensione di come questi protoammassi siano collegati alla rete cosmica più ampia.”
Il loro studio ha utilizzato i dati del sondaggio DECam Imaging in Narrowbands (One-hundred-deg2) (ODIN). Questo indagine viene condotto con la Dark Energy Camera (DECam) prodotta dal DOE, montata sul telescopio NSF Víctor M. Blanco a 4 metri presso l’Osservatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO) in Cile, un programma della NSF NOIRLab.
Con il suo ampio campo visivo e la risoluzione di 570 megapixel, DECam ha trascorso più di 100 notti negli ultimi tre anni catturando immagini profonde di un’ampia area del cielo dell’emisfero sud.
In totale, il team ha identificato 150 protoammassi distanti che si sono formati quando l’Universo aveva circa 1–3 miliardi di anni. Restrinsero il loro focus a due ammassi che mostravano una notevole sovradensità di galassie, chiamati COSMOS-z3.1-A e COSMOS-z3.1-C.
Il survey ODIN ha fornito le coordinate 2D delle posizioni di queste strutture nel cielo. Tuttavia, per avere una vera percezione della loro distribuzione galattica e di come si inseriscono nella rete cosmica su larga scala, è necessaria una prospettiva 3D.
Per mappare queste strutture in 3D, Ramakrishnan fu affiancato da altri due studenti laureati, Byeongha Moon (KASI) e Nicole Firestone (Rutgers), per guidare osservazioni di follow-up utilizzando una serie di strumenti chiamati spettrografi.
Invece di scattare un’immagine 2D del cielo, gli spettrografi utilizzano le proprietà della luce per misurare la distanza da un oggetto, permettendo agli scienziati di determinarne la posizione in 3D.
La maggior parte degli spettri utilizzati in questo studio è stata acquisita con il Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) — un potente spettrografo multi-oggetto in grado di misurare la distanza da 5000 galassie diverse simultaneamente. Lo strumento è stato costruito con il supporto dell’Ufficio Scientifico del DOE e di partner internazionali ed è gestito con finanziamenti del DOE.
Il progetto DESI è gestito dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE. Lo strumento è montato sul telescopio NSF Nicholas U. Mayall da 4 metri presso il Kitt Peak National Observatory (KPNO) in Arizona, un programma della NSF NOIRLab.
Il team ha acquisito spettri aggiuntivi utilizzando il Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) sul telescopio Gemini South in Cile, metà dell’International Gemini Observatory, finanziato in parte dalla NSF e gestito dalla NSF NOIRLab, oltre al DEep Imaging Multi-Object Spectrograph (DEIMOS) sul telescopio Keck II situato a Maunakea alle Hawaii.
Questo studio è uno dei primi a produrre mappe 3D così dettagliate di molteplici protoammassi distanti.
Le mappe hanno permesso al team di prevedere in quali cluster si sarebbero evoluti COSMOS-z3.1-A e COSMOS-z3.1-C. Hanno scoperto che entrambi evolveranno per diventare più massicci del più grande ammasso di galassie conosciuto nel nostro Universo locale, il Coma Cluster.
Inoltre, hanno stabilito che COSMOS-z3.1-A è qualcosa di ancora più raro di un protoammulo, che è già piuttosto raro. È un proto-superammasso, ovvero l’antenato di un ‘ammasso di ammassi’ di galassie.
Essendo stato osservato quando l’Universo aveva solo 2,1 miliardi di anni, questo è il proto-superammasso più antico e distante mai trovato, e vanta una massa impressionante 5000 volte quella della Galassia della Via Lattea.
“COSMOS-z3.1-A rappresenta le regioni più estreme e sovradense dell’Universo”, afferma Ramakrishnan. “Pensiamo che dovrebbero esserci meno di un oggetto di questo tipo ogni 10.000 ammassi di galassie!”
Dalle loro dettagliate mappe 3D, il team conclude che questi antichi protoammassi sono molto grumosi e irregolari, e che si trovano all’intersezione di molteplici filamenti di rete cosmici.
Questa è la prima volta che gli scienziati osservano direttamente tali caratteristiche nell’Universo lontano, e le osservazioni concordano con le aspettative degli scienziati su come la materia sia distribuita nel cosmo.
I modelli attuali suggeriscono che la formazione delle strutture avviene in modo ‘bottom-up’, con strutture più piccole che si formano prima e si fondono insieme per dare origine a quelle più grandi.
È probabile che la sottostruttura grumosa vista nelle mappe 3D sia la prova di questa crescita dal basso verso l’alto. I gruppi collasseranno insieme man mano che i protoammassi si evolveno, dando origine a ammassi simili a quelli che vediamo nell’Universo locale, molto più rotondi nella forma.
Con la sua ampia area e profondità, ODIN è ben posizionato per scoprire altre di queste enormi strutture cosmiche nell’Universo lontano.
“La metodologia di ricostruzione 3D presentata in questo lavoro sarà una componente vitale di questi sforzi, permettendoci di distinguere chiaramente i nuclei e le periferie dei protoammassi, così come i filamenti cosmici che li alimentano”, afferma Ramakrishnan.
Il team guarda con interesse a ulteriori scoperte nel prossimo decennio, mentre l’Osservatorio NSF–DOE Vera C. Rubin condurrà il suo rivoluzionario Legacy Survey of Space and Time (LSST).
Fotografando l’intero cielo dell’emisfero sud ogni poche notti, Rubin creerà un ricco dataset che completerà l’imaging profondo di ODIN della regione sovrapposta del cielo. Insieme, i dati creeranno una visione profonda dell’Universo vicino e lontano, permettendo agli scienziati di studiare l’evoluzione degli ammassi di galassie nel tempo cosmico.
CTIO/NOIRLab/DOE/NSF/AURA
Image Processing: T.A. Rector (University of Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), M. Zamani & D. de Martin (NSF NOIRLab)
