Еще один сюрприз ранней Вселенной от JWST: зрелый кластер галактик

Кластеры галактик могут содержать тысячи отдельных галактик и являются крупнейшими гравитационно связанными структурами, которые мы знаем во Вселенной. Они настолько массивны, что могут использоваться в качестве гравитационных линз.

Один из этих древних кластеров называется XLSSC 122, и он находится в удачном выравнивании с более удаленными одиночными галактиками. Это делает кластер гравитационной линзой, и он искажает и усиливает свет от далеких галактик. Астрономы использовали JWST для изучения кластера, и искажение фоновой галактики позволило им более точно измерить массу XLSSC 122.

Десять миллиардов лет назад большинство кластеров галактик только начинали формироваться. Но эти наблюдения показывают, что XLSSC 122 отличается от других кластеров галактик во Вселенной в то же время. Вместо этого он более массивен, сосредоточен и организован, напоминает современные кластеры.

Три новые статьи в The Astrophysical Journal представляют результаты, которые также были представлены на 248-й встрече Американского астрономического общества. Кайл Финнер, научный сотрудник Центра обработки и анализа инфракрасных данных (IPAC), является ведущим автором одной из статей.

"Когда мы получили первые изображения от JWST, мы сказали: 'вау, посмотрите на это, из этого кластера идет сильное линзирование!'" — сказал Финнер в пресс-релизе. "XLSSC 122 теперь установил рекорд для самого удаленного кластера галактик, демонстрирующего сильное линзирование, что является ценным инструментом для астрономов."

XLSSC 122 был впервые обнаружен более десяти лет назад в 2014 году, когда рентгеновская обсерватория XMM Newton ESA обнаружила огромное количество нагретого газа в кластере. Наблюдения Хаббла последовали за этим, показывая, что кластер находится на расстоянии 10,4 миллиарда световых лет. Эти наблюдения также показали, что кластер был необычно зрелым по сравнению с другими кластерами того же возраста.

Теперь астрономы наблюдали кластер с помощью JWST и обнаружили, что это сильная гравитационная линза. Характерные дуги искаженного света отсутствовали на изображениях Хаббла, но были четко видны на изображениях JWST. "До JWST мы не могли проводить такой уровень науки в ранней, далекой Вселенной," — сказал Финнер.

Хотя кластеры, такие как XLSSC 122, содержат огромные количества звезд и газа, они содержат еще больше темной материи. Именно темная материя создает эффект сильного гравитационного линзирования. Темная материя также похожа на строительные леса, на которых формируются галактики и кластеры. Крупномасштабная структура Вселенной состоит из нитей темной материи, на которых формируются галактики и кластеры. Наблюдения JWST за XLSSC 122 предоставляют возможность узнать больше о темной материи и ее распределении.

Это изображение JWST показывает размытые оранжевые комки, которые являются центральными галактиками кластера XLSSC 122. JWST обнаружил характерные дуги света, указывающие на то, что XLSSC 122 действует как сильная гравитационная линза для фоновых галактик. Кредит изображения: NASA, ESA, CSA; Кайл Финнер (Caltech/IPAC) Обработка изображения: Роберт Херт (Caltech/IPAC-SELab)

"Сильное линзирование — это способ измерить темную материю, не видя саму темную материю," — сказал Финнер. "Это дает нам чувствительный зонд наших космологических моделей."

Это составные цветные и индивидуальные фильтры изображения XLSSC 122 от JWST. Фиолетовые стрелки на верхнем левом изображении показывают кандидаты на сильно линзированные галактические дуги. Кредит изображения: Кайл Финнер и др. 2025 ApJL 994 L35

Кластер также действует как слабая гравитационная линза. Слабое гравитационное линзирование не влияет на отдельные галактики так, как это делает сильное линзирование. Оно лишь немного искажает фоновые галактики и полагается на большие выборки, чтобы восстановить сигнатуру массы. Сильное линзирование позволило исследователям измерить массу центра кластера, а слабое линзирование позволило им измерить массу по всему кластеру, включая его периферийные галактики.

"Слабое гравитационное линзирование может ограничить массу гораздо дальше, так что вы можете получить более полное представление о окружающей области кластера," — сказал Финнер.

Это изображение JWST показывает более широкий участок кластера XLSSC 122. Яркая галактика кластера (BCG) показана желтым квадратом в центре. Кандидаты в члены кластера, идентифицированные с помощью спектроскопии, показаны зелеными кругами, а найденные фотометрически — пурпурными кругами. Кредит изображения: Закари П. Скофилд и др. 2026 ApJL 999 L1

Астрономы использовали другие телескопы для наблюдения за кластером по всему электромагнитному спектру. Рентгеновские и радионаблюдения показывают, что XLSSC 122 все еще проходит процесс слияния, поскольку его галактики сближаются. В одной из новых статей авторы использовали данные из Чандры, MeerKat, ALMA и JWST, чтобы "... идентифицировать согласованное NE–SW удлинение по наборам данных и выраженный сдвиг вдоль той же оси между пиками SZ и массы/рентгеновского излучения, указывая на значительную активность слияния."

JWST также наблюдал внутрикластерный свет (ICL) в XLSSC 122, и эти результаты представлены в третьей статье. ICL не происходит от галактик в кластере, а от отдельных звезд, которые были приливно оторваны от своих галактик. ICL крайне тусклый, но он может многое рассказать астрономам о истории слияния кластера. ICL в XLSSC 122 показывает, что эти незакрепленные звезды все еще разбросаны и еще не собрались в гравитационно доминирующем ядре кластера. Это указывает на то, что слияние продолжается.

Эти обработанные изображения XLSSC 122 раскрывают очень слабый ICL в кластере, показанный с вычтенным всем остальным в средней колонке, где он виден как серое пятно в нижнем правом углу. Кредит изображения: Хёнгджин Чу и др. 2026 ApJL 1002 L17

"Этот южный элемент представляет собой значительное превышение диффузного излучения, простирающегося примерно на 100 кпк от BCG," — говорится в третьей статье. "Его пространственное выравнивание с избытком членских галактик и независимыми многоволновыми асимметриями (рентгеновские, радиоволны и SZ) сильно указывает на происхождение из приливно оторванных звезд, возникающих в результате текущих или недавних динамических взаимодействий внутри кластера."

Следы ICL также совпадают с концентрацией темной материи, выявленной с помощью сильного гравитационного линзирования. "В этом кластере внутрикластерный свет по сути отслеживает темную материю," — сказал Финнер. "Этот свет говорит нам, что кластер находится в состоянии слияния."

Это еще один пример того, как JWST показывает нам раннюю Вселенную таким образом, как мы никогда не видели раньше. Обнаружив древний кластер, который кажется более развитыми, чем должен быть, он заставляет ученых уточнять свои модели космологии и то, как развивалась Вселенная. Следующий шаг — найти больше кластеров, подобных XLSSC 122, если они существуют.

"Еще рано в эпоху JWST," — сказал Финнер, "и если мы сможем начать получать данные о десятках или сотнях таких объектов на этой стадии во Вселенной, тогда мы действительно сможем начать проверять наши космологические модели."