Galaktikų spiečiai ir superspiečiai

Galaktikų spiečiai ir superspiečiai

Didžiausios gravitaciškai susietos sistemos, formuojančios kosminį tinklą ir veikiančios spiečiaus narių galaktikas

Galaktikos kosmose nėra vienišos. Jos buriasi į spiečius – milžiniškus, iš šimtų ar net tūkstančių galaktikų sudarytus darinius, kuriuos sieja bendra gravitacija. Dar platesniu mastu egzistuoja superspiečiai, apjungiantys daugelį spiečių kosminio tinklo gijose. Šios milžiniškos struktūros dominuoja tankiausiose Visatos dalyse, lemia galaktikų išsidėstymą ir daro įtaką kiekvienai spiečiaus galaktikai. Šiame straipsnyje panagrinėsime, kas yra galaktikų spiečiai ir superspiečiai, kaip jie formuojasi ir kodėl jie reikšmingi norint suprasti stambiąją kosmologiją ir galaktikų raidą.

1. Spiečių ir superspiečių apibrėžimas

1.1 Galaktikų spiečiai: kosminio tinklo branduolys

Galaktikų spiečius – tai gravitaciškai susieta sistema, kurioje gali būti nuo kelių dešimčių iki tūkstančių galaktikų. Spiečių bendros masės paprastai siekia ∼1014–1015 M⊙. Be galaktikų, juose yra:

  1. Tamsiosios materijos halai: Didžiąją dalį spiečiaus masės (~80–90 %) sudaro tamsioji materija.
  2. Karštoji tarpspiečio terpė (ICM): Praskiestos, itin įkaitusios dujos (temperatūra 107–108 K), spinduliuojančios rentgeno diapazone.
  3. Sąveikaujančios galaktikos: Spiečiaus galaktikos patiria dujų nuplėšimą judant per karštą terpę (ram-pressure stripping), „harassment“ ar susijungimus, nes susidūrimų dažnis aukštas.

Spiečiai dažnai aptinkami, ieškant didelės galaktikų koncentracijos optiniuose tyrimuose, stebint ICM rentgeno spindulius arba naudojant Sunjajevo–Zel’dovičiaus efektą – kosminio mikrobangų fono fotonų iškraipymą per karštus elektronus spiečiuje.

1.2 Superspiečiai: laisvesnės, didesnės struktūros

Superspiečiai nėra visiškai gravitaciškai susieti, veikiau tai laisvos asociacijos iš galaktikų spiečių ir grupių, sujungtų gijomis. Jos driekiasi nuo kelių dešimčių iki šimtų megaparsekų, rodydamos stambiausio masto Visatos struktūrą bei tankiausius kosminio tinklo mazgus. Nors kai kurios superspiečio dalys gali būti tarpusavyje susietos, ne visos šių darinų sritys bus stabiliai sukritusios kosminiais laikotarpiais, jei nėra iki galo susiformavusios.

2. Spiečių formavimasis ir raida

2.1 Hierarchinis augimas ΛCDM modelyje

Pagal šiuolaikinį kosmologinį modelį (ΛCDM) tamsiosios materijos halai auga hierarchiškai: pirmiausia susidaro mažesni halai, kurie susijungia, taip ilgainiui formuodami galaktikų grupes ir spiečius. Pagrindiniai etapai:

  1. Ankstyvosios tankio fluktuacijos: Menki tankio skirtumai, susiformavę po infliacijos, pamažu „subliūkšta“.
  2. Grupių stadija: Galaktikos pirmiausia telkiasi į grupes (~1013 M⊙), kurios vėliau prisijungia papildomų halų.
  3. Spiečiaus stadija: Grupėms susijungus, formuojasi spiečiai, kuriuose gravitacinis potencialas pakankamai gilus, kad išlaikytų karštą ICM.

Didžiausi spiečių halai gali toliau augti, prijungdami dar daugiau galaktikų ar susiliedami su kitais spiečiais, suformuodami masyviausius gravitaciškai susietus Visatos darinius [1].

2.2 Tarpspiečio terpė ir įkaitimas

Grupėms susijungus į spiečius, įkrentančios dujos smūgiškai įkaitinamos iki virialinės temperatūros, siekiančios dešimtis milijonų laipsnių, sukuriant rentgeno spindulių šaltinį — karštąją tarpspiečio terpę (ICM). Ši plazma reikšmingai veikia spiečiaus galaktikas, pvz., per ram-pressure stripping poveikį.

2.3 Apsitvarkę ir neapsitvarkę spiečiai

Kai kurie spiečiai, patyrę stambius susijungimus seniau, vadinami „apsitvarkiusiais“ (relaxed), su tolygiu rentgeno švytėjimu ir vienu giliu gravitaciniu potencialu. Kiti demonstruoja akivaizdžių sub-struktūrų, rodančių vykstančius ar nesenius susidūrimus — šoko frontai ICM terpėje ar keli atskiri galaktikų telkiniai byloja apie neapsitvarkiusį (unrelaxed) spiečių (pvz., „Kulkos spiečius“) [2].

3. Stebėjimo ypatybės

3.1 Rentgeno spinduliuotė

Karštoji ICM spiečiuose yra stiprus rentgeno šaltinis. Teleskopai kaip Chandra bei XMM-Newton stebi:

  • Terminį laisvųjų krūvių spinduliavimą (bremsstrahlung): Karštieji elektronai, spinduliuojantys rentgeno diapazone.
  • Chemines gausas: Spektralinės linijos, rodančios sunkiuosius elementus (O, Fe, Si), išmėtytus supernovų spiečiaus galaktikose.
  • Spiečiaus profilius: Dujų tankio ir temperatūros pasiskirstymas, leidžiantis rekonstruoti masės pasiskirstymą bei susijungimų istoriją.

3.2 Optinės apklausos

Tankus raudonų, elipsinių galaktikų susitelkimas spiečiaus centre būdingas spiečiams. Spektriniai tyrimai padeda aptikti turtingus spiečius (pvz., Coma) pagal sutankintą patvirtintų narių raudonąjį poslinkį. Dažnai spiečiaus centre randame masyvią „Ryškiausią spiečiaus galaktiką“ (BCG), rodančią gilią gravitacinę duobę.

3.3 Sunjajevo–Zel’dovičiaus (SZ) efektas

Karštieji ICM elektronai gali sąveikauti su kosminio mikrobangų fono fotonais, suteikdami jiems kiek daugiau energijos. Taip atsiranda išskirtinis SZ efektas, mažinantis CMB intensyvumą palei spiečiaus liniją. Šis metodas leidžia aptikti spiečius beveik nepriklausomai nuo jų nuotolio [3].

4. Poveikis spiečiaus galaktikoms

4.1 Dujų „nuplėšimas“ (ram-pressure) ir gesinimas

Kai galaktika dideliu greičiu juda per tankią karštą ICM, dujos „nuplėšiamos“. Taip netenkama žvaigždėdaros kuro, todėl gaunamos dujų stokojančios, „raudonos ir nebeaktyvios“ elipsinės ar S0 galaktikos.

4.2 „Harassment“ ir potvyninės sąveikos

Tankiose spiečių aplinkose artimi galaktikų prasilenkimai gali sujaukti žvaigždžių diskus, formuoti išlinkimus ar barus. Tokia pasikartojanti „harassment“ dinamika ilgainiui sušildo spiralinės žvaigždžių dalį ir paverčia ją lęšine (S0) [4].

4.3 BCG ir ryškiosios narės

Ryškiausios spiečiaus galaktikos (BCG), paprastai esančios netoli spiečiaus centro, gali reikšmingai augti per „galaktinį kanibalizmą“ — prijungdamos palydoves ar susiliedamos su kitomis stambiomis narėmis. Joms būdingi labai ištęsti žvaigždžių halai ir neretai ypač masyvios juodosios skylės, išskiriančios galingas radijo čiurkšles ar AGN veiklą.

5. Superspiečiai ir kosminis tinklas

5.1 Gijos ir tuštumos

Superspiečiai jungia spiečius per galaktikų ir tamsiosios materijos gijas, o tuštumos (voids) užpildo retesnius tarpelius. Toks tinklo „audinys“ kyla iš stambių mastų tamsiosios materijos pasiskirstymo, nulėmusio pradinėms tankio fluktuacijoms [5].

5.2 Superspiečių pavyzdžiai

  • Vietinis superspiečius (LSC): Apima Mergelės (Virgo) spiečių, Mūsų Grupę (kur yra Paukščių Takas) ir kitas netolimas grupes.
  • Shapley superspiečius: Vienas masyviausių vietinėje Visatoje (~200 Mpc atstumu).
  • Sloan Didžioji Siena: Milžiniška superspiečių struktūra, nustatyta Sloan Digital Sky Survey tyrimuose.

5.3 Gravitacinis susietumas?

Daugelis superspiečių nėra visiškai virializuoti – jos gali „skleistis“ dėl Visatos plėtimosi. Tik kai kurios tankesnės superspiečių dalys galutinai subliūkšta į ateities spiečių halo. Dėl spartėjančio plėtimosi stambaus masto gijoms gali būti lemta „išsitempti“ ir retėti, palaipsniui atribojant jas nuo aplinkos kosminiais laikotarpiais.

6. Spiečių kosmologija

6.1 Spiečiaus masių funkcija

Skaičiuojant spiečius kaip masės ir raudonojo poslinkio funkciją, kosmologai testuoja:

  1. Materijos tankį (Ωm): Didesnis tankis reiškia daugiau spiečių.
  2. Tamsiąją energiją: Struktūros augimo tempas (įskaitant spiečius) priklauso nuo tamsiosios energijos savybių.
  3. σ8: Pradinių tankio fluktuacijų amplitudė nulemia, kaip sparčiai formuojasi spiečiai [6].

Rentgeno ir SZ tyrimai leidžia tiksliai nustatyti spiečiaus mases, taip suteikiant griežtus apribojimus kosmologiniams parametrams.

6.2 Gravitacinis lęšiavimas

Spiečiaus masto gravitacinis lęšiavimas taip pat padeda įvertinti spiečiaus masę. Stiprus lęšiavimas formuoja milžiniškus lanko pavidalo šaltinius arba daugkartinius vaizdus, o silpnas lęšiavimas nežymiai iškreipia foninių galaktikų formas. Šie matavimai patvirtina, kad įprasta (regimoji) materija sudaro tik nedidelę dalį spiečių masės — tamsioji materija vyrauja.

6.3 Barionų dalis ir KMB

Dujų masės (barionų) ir bendros spiečiaus masės santykis rodo universalią barionų dalį, kurią lyginame su kosminio mikrobangų fono (KMB) duomenimis. Šie tyrimai nuolat patvirtina ΛCDM modelį ir tikslina Visatos barionų balansą [7].

7. Spiečių ir superspiečių raida laiko tėkmėje

7.1 Didelio raudonojo poslinkio protospiečiai

Stebint tolimas (aukšto z) galaktikas, aptinkami protospiečiai – tankios jaunų galaktikų sankaupos, netrukus galinčios „subliūkšti“ į pilnaverčius spiečius. Kai kurios ryškios žvaigždėdaros galaktikos ar AGN ties z∼2–3 aptinkamos tokiose sutankėjusiose srityse, pranašaujančiose dabartinius masyvius spiečius. JWST ir didieji antžeminiai teleskopai vis dažniau aptinka šiuos protospiečius, nustatydami mažas dangaus sritis su gausiausiomis galaktikų „raudonojo poslinkio grupėmis“ ir aktyvia žvaigždėdara.

7.2 Pačių spiečių susiliejimai

Spiečiai gali susijungti tarpusavyje, suformuodami ypač masyvias sistemas – „spiečių susidūrimai“ generuoja smūginius frontus ICM terpėje (pvz., „Kulkos spiečius“) ir atskleidžia subhalo struktūras. Tai — didžiausi gravitaciškai susieti įvykiai Visatoje, išlaisvinantys milžiniškus energijos kiekius, kurie kaitina dujas ir iš naujo perrikiuoja galaktikas.

7.3 Superspiečių ateitis

Didėjant Visatos plėtimuisi (tamsiajai energijai viešpataujant), tikėtina, kad nemaža dalis superspiečių taip ir nesukris. Ateityje spiečių susijungimai vis dar vyks, formuodami milžiniškus virializuotus halus, bet stambiausios gijų dalys gali temptis ir retėti, ilgainiui atskirdamos šias mega-struktūras kaip „atskiras Visatas“.

8. Žinomiausi spiečių ir superspiečių pavyzdžiai

  • Coma spiečius (Abell 1656): Masyvus, turtingas spiečius (~300 mln. šviesmečių atstumu), garsus daugybe elipsinių ir S0 galaktikų.
  • Mergelės (Virgo) spiečius: Artimiausias turtingas spiečius (~55 mln. šviesmečių), apimantis gigantišką elipsinę M87. Priklauso Vietiniam superspiečiui.
  • Kulkos spiečius (1E 0657-558): Demonstruoja dviejų spiečių susidūrimą, kur rentgeno spindulių dujos pasislinkusios nuo tamsiosios materijos sankaupų (nustatytų lęšiavimu) — svarbus tamsiosios materijos egzistavimo įrodymas [8].
  • Shapley superspiečius: Vienas stambiausių žinomų superspiečių, besidriekiantis ~200 Mpc atstumu, sudarytas iš susietų spiečių tinklo.

9. Santrauka ir ateities perspektyvos

Galaktikų spiečiai – didžiausios gravitaciškai susietos sistemos – yra tankiausi kosminio tinklo mazgai, parodantys, kaip stambiųjų mastų materija organizuojasi. Juose vyksta sudėtingos sąveikos tarp galaktikų, tamsiosios materijos ir karštos tarpspiečio terpės, lemiančios morfologinius pokyčius bei žvaigždėdaros „gesinimą“ spiečiuose. Tuo tarpu superspiečiai perteikia dar platesnę šių masyvių mazgų ir gijų sąrangą, vaizduojančią kosminio tinklo karkasą.

Stebėdami spiečių mases, analizuodami rentgeno ir SZ emisiją ir vertindami gravitacinį lęšiavimą, mokslininkai nustato pagrindinius kosmologinius parametrus, tarp jų tamsiosios materijos tankį ar tamsiosios energijos savybes. Ateities projektai (pvz., LSST, Euclid, Roman Space Telescope) suteiks tūkstančius naujų spiečių atradimų, dar labiau tikslindami kosminių modelių. Tuo pačiu gilūs stebėjimai leis aptikti protospiečius ankstyvose epochose ir detaliau sekti, kaip superspiečių masto struktūros kinta sparčiai besiplečiančioje Visatoje.

Nors pačios galaktikos ir yra nuostabios, jų kolektyvinė sandara masyviuose spiečiuose bei išsiplėtusiuose superspiečiuose parodo, kad kosminė evoliucija yra bendras reiškinys, kur aplinka, gravitacinis telkimasis ir grįžtamasis ryšys susilieja, kurdami didžiausius mums žinomus Visatos statinius.

Nuorodos ir platesnis skaitymas

  1. White, S. D. M., & Rees, M. J. (1978). “Core condensation in heavy halos – A two-stage theory for galaxy formation and the missing satellite problem.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 183, 341–358.
  2. Markevitch, M., et al. (2002). “Direct Constraints on the Dark Matter Self-Interaction Cross Section from the Merging Galaxy Cluster 1E 0657–56.” The Astrophysical Journal, 567, L27–L30.
  3. Sunyaev, R. A., & Zeldovich, Y. B. (1970). “The Interaction of Matter and Radiation in Expanding Universe.” Astrophysics and Space Science, 7, 3–19.
  4. Moore, B., Lake, G., & Katz, N. (1998). “Morphological transformation from galaxy harassment.” The Astrophysical Journal, 495, 139–149.
  5. Bond, J. R., Kofman, L., & Pogosyan, D. (1996). “How filaments are woven into the cosmic web.” Nature, 380, 603–606.
  6. Allen, S. W., Evrard, A. E., & Mantz, A. B. (2011). “Cosmological Parameters from Observations of Galaxy Clusters.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 49, 409–470.
  7. Vikhlinin, A., et al. (2009). “Chandra Cluster Cosmology Project III: Cosmological Parameter Constraints.” The Astrophysical Journal, 692, 1060–1074.
  8. Clowe, D., et al. (2004). “Weak-lensing mass reconstruction of the interacting cluster 1E 0657–558: Direct evidence for the existence of dark matter.” The Astrophysical Journal, 604, 596–603.
Grįžti į tinklaraštį