Kosmiczną sieć widać już w epoce zaledwie 830 milionów lat po Wielkim Wybuchu
Kosmiczna sieć wydaje się strukturą wymagającą miliardów lat wzrostu, ale Webb potrafi obserwować jej wczesne zalążki. W 2023 r. zespół programu ASPIRE opisał układ dziesięciu galaktyk ułożonych w filament o długości około 3 milionów lat świetlnych, widziany w epoce około 830 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Struktura jest związana z bardzo odległym kwazarem. Nie oznacza to, że cała dojrzała sieć wyglądała już tak jak dziś, lecz pokazuje, że grawitacyjne organizowanie galaktyk w wydłużone struktury rozpoczęło się bardzo wcześnie. Webb pozwala obserwować nie tylko pierwsze galaktyki, ale także ich pierwsze większe środowiska.
Dlaczego to trudniejsze niż znaleźć jedną galaktykę
Wykrycie odległej galaktyki wymaga stwierdzenia, że obiekt istnieje i zmierzenia jego przesunięcia ku czerwieni. Aby udowodnić filament, trzeba znaleźć wiele galaktyk w podobnej epoce i wykazać, że ich trójwymiarowy rozkład tworzy spójną wydłużoną strukturę. Projekcja na niebie może łatwo oszukać: obiekty wyglądające jak sąsiedzi mogą w rzeczywistości dzielić setki milionów lat świetlnych. Spektroskopia Webba pozwala ustalać redshifty z potrzebną precyzją.
ASPIRE i dziesięć galaktyk
NASA opisała układ dziesięciu galaktyk rozmieszczonych w nitkowatej linii o długości około 3 milionów lat świetlnych. Znajduje się tam jasny kwazar J0305-3150, będący aktywnym jądrem z supermasywną czarną dziurą. Zespół interpretuje strukturę jako wczesny filament, który z czasem może rozwinąć się w znacznie masywniejszy węzeł podobny do współczesnych gromad.
830 milionów lat to kosmiczna młodość
Wiek Wszechświata wynosi dziś około 13,8 miliarda lat. Obserwowany filament istniał więc, gdy kosmos miał zaledwie kilka procent obecnego wieku. Gwiazdy i galaktyki zaczęły już wtedy intensywnie wzbogacać otoczenie, a duże halo ciemnej materii rosły wystarczająco szybko, by organizować kilka galaktyk w wspólny wzór. Daje to bezpośredni test symulacji powstawania struktury.
Kwazar jest jednocześnie latarnią i częścią układu
Jasne aktywne jądro pomaga znaleźć interesujący region, ponieważ bardzo masywne wczesne czarne dziury mogą wskazywać na gęste środowiska. Jednocześnie kwazar jest tak jasny, że potrafi przyćmić własną galaktykę. Webb rozdziela słabe obiekty wokół niego i bada ich widma. Dzięki temu źródło, które dawniej traktowano przede wszystkim jako punktowy kwazar, staje się znacznikiem całego młodego ekosystemu galaktyk.
Wczesna sieć była mniej dojrzała
Dzisiejsze filamenty mogą ciągnąć się dziesiątki lub setki milionów lat świetlnych i łączyć wielkie gromady. Struktura ASPIRE jest dużo mniejsza i obserwowana w epoce szybkiego wzrostu. Nie należy więc porównywać jej jeden do jednego z dojrzałą siecią. Ciekawostka polega na tym, że podstawowy schemat — galaktyki układające się w wydłużone zagęszczenie — jest wykrywalny tak wcześnie.
„Najwcześniejszy” jest etykietą tymczasową
W momencie publikacji NASA używała sformułowania o najwcześniejszych znanych pasmach kosmicznej sieci. W szybko rozwijającej się astronomii Webba rekordy mogą jednak zostać pobite. Dlatego trwalszym faktem jest konkret: obserwowano 3-milionowo-letni filament dziesięciu galaktyk około 830 milionów lat po Wielkim Wybuchu. To pozostanie interesującym pomiarem nawet wtedy, gdy znajdziemy starszą strukturę.
Sieć zaczyna się przed dojrzałymi gromadami
Współczesna gromada jest końcowym efektem bardzo długiego akreowania. Webb pozwala cofnąć film do czasu, gdy węzły i włókna dopiero nabierały kontrastu. W ten sposób obserwacje pierwszych galaktyk łączą się bezpośrednio z wielką strukturą: zamiast pytać tylko „kiedy powstała galaktyka?”, można badać „kiedy galaktyki zaczęły tworzyć środowisko przypominające dzisiejszą sieć?”.
Jak Webb potwierdza, że obiekty naprawdę są w tej samej epoce
Kolor fotometryczny pozwala znaleźć kandydatów na bardzo odległe galaktyki, ponieważ przerwa Lymana przesuwa się przez filtry wraz z redshiftem. Jednak do szczegółowej mapy struktury potrzebne są lepsze odległości. Spektrograf NIRSpec Webba rozdziela charakterystyczne linie emisyjne i absorpcyjne, dzięki którym redshift można zmierzyć znacznie dokładniej. Dopiero wtedy wiadomo, że galaktyki ustawione blisko siebie na obrazie znajdują się również blisko wzdłuż linii widzenia. To krytyczne przy twierdzeniu o filamencie. W przeciwnym razie kilka obiektów z różnych epok mogłoby przypadkiem utworzyć na dwuwymiarowym zdjęciu piękny „sznur”. Wczesna kosmiczna sieć jest więc odkrywana dzięki połączeniu czułego obrazu z precyzyjną spektroskopią.
To nie jest bezpośrednie zdjęcie ciemnomateriałowej nici
Określenie „strand of the cosmic web” może brzmieć tak, jakby Webb sfotografował samą niewidzialną strukturę podobną do świecącej liny. W praktyce obserwuje galaktyki i mierzy ich odległości oraz przesunięcia ku czerwieni. Jeśli wiele z nich układa się w wydłużoną strukturę i znajduje na zgodnych odległościach kosmologicznych, można zidentyfikować zalążek filamentu. Te galaktyki są świecącymi znacznikami głębszego rozkładu materii. To rozróżnienie jest ważne: kosmiczna sieć jest w dużej części zbudowana z ciemnej materii i rozrzedzonego gazu, których Webb nie widzi na takim obrazie bezpośrednio.