Materia płynie wzdłuż filamentów kosmicznej sieci do gromad galaktyk
Kosmiczna sieć nie jest tylko geometrycznym wzorem przypominającym pajęczynę. Grawitacja kieruje materię wzdłuż filamentów ku gęstszym węzłom, gdzie rosną grupy i gromady galaktyk. Hubble i inne obserwatoria mapowały filament o długości około 13 milionów lat świetlnych prowadzący do masywnego układu MACS J0717. W regionie tym materia i całe podgromady wpadają w zatłoczone centrum, gdzie obserwuje się jednoczesne zderzenie kilku struktur. Filament można więc porównać do kosmicznej autostrady: nie jest nieruchomą kreską na mapie, lecz kanałem, w którym materia ma preferowany kierunek przepływu pod wpływem grawitacji.
Skąd bierze się przepływ
Wzdłuż kosmicznej sieci gęstość nie jest jednakowa. Węzły zawierają większą masę, więc ich potencjał grawitacyjny przyciąga materię z otoczenia. Galaktyki, grupy, gaz i ciemna materia poruszają się po złożonych trajektoriach, ale statystycznie filamenty kierują je ku gęstszym regionom. To naturalny ciąg hierarchicznego wzrostu: małe struktury łączą się w większe, a węzły kosmicznej sieci stają się gromadami.
MACS J0717 pokazuje proces w działaniu
Hubble wraz z obserwacjami rentgenowskimi badał niezwykle dynamiczny region MACS J0717. Mapa soczewkowania ujawniła rozkład masy, a Chandra pokazała gorący gaz. NASA opisuje około 13-milionowo-letni filament normalnej i ciemnej materii, który zasila obszar, gdzie spotykają się cztery składniki gromady. To rzadko efektowny przypadek, w którym wielkoskalowy „dopływ” można powiązać z konkretnym, gwałtownym wzrostem węzła.
Ciemna materia i gaz nie zachowują się identycznie
Ciemna materia w modelach jest praktycznie bezkolizyjna, więc przechodzi przez inne halo głównie pod wpływem grawitacji. Gaz jest plazmą i podczas zderzeń tworzy fale uderzeniowe, hamuje oraz ogrzewa się. W złożeniu map masy i promieni X można więc odtworzyć różne składniki przepływu. Takie obserwacje pokazują, że „materia płynie filamentem” nie oznacza jednorodnej rzeki; kilka komponentów podąża podobnym wielkim potencjałem, ale reaguje inaczej lokalnie.
Galaktyki przybywają do gromad w grupach
Część galaktyk nie wpada pojedynczo. Najpierw tworzą małe grupy, w których zachodzą mergers i wstępne przekształcenia, a dopiero potem cały układ trafia do gromady. Ten proces bywa nazywany pre-processingiem. Filamenty są naturalnymi drogami takiego akreowania. Środowisko galaktyki zmienia się więc stopniowo: od rzadkiego pola, przez grupę, po gorące wnętrze gromady.
Dlaczego trudno obserwować filamenty bezpośrednio
Galaktyki są jasnymi znacznikami, ale większość masy filamentu jest ciemna, a gaz bardzo rozrzedzony. Soczewkowanie grawitacyjne pomaga mapować całkowitą masę, widma kwazarów ujawniają gaz przez absorpcję, a słaba emisja bywa wykrywana specjalistycznymi instrumentami. Często dopiero połączenie kilku metod potwierdza, że widoczny sznur galaktyk odpowiada rzeczywistej strukturze masy, a nie przypadkowemu ustawieniu w projekcji.
Sieć buduje gromady przez miliardy lat
Wczesne fluktuacje gęstości nie utworzyły od razu dzisiejszych wielkich gromad. Wzrost zachodził przez stałe akreowanie materii i mergers mniejszych halo. Filamenty są trwałym elementem tego procesu. Nawet współczesne gromady nie są zakończonymi obiektami: na ich obrzeżach obserwuje się nowe grupy i gaz kontynuujące opadanie.
Kosmiczna pajęczyna ma dynamikę
W wizualizacji kosmiczna sieć przypomina zamrożoną sieć włókien. Dodanie ruchu zmienia obraz: wzdłuż nici materia przemieszcza się ku węzłom, węzły rosną, pustki się opróżniają, a całe gromady zderzają. To największa skala, na której można obserwować „pogodę grawitacyjną” Wszechświata — powolną dla człowieka, lecz nieustanną przez kosmiczny czas.
Filamenty dostarczają także gazu, z którego mogą powstawać gwiazdy
Do halo galaktyk i gromad wzdłuż kosmicznej sieci napływa nie tylko ciemna materia i gotowe galaktyki, ale również gaz. W symulacjach część chłodniejszego materiału może przenikać w postaci wydłużonych strumieni, szczególnie do młodszych lub mniej masywnych halo, zanim zostanie silnie ogrzana. To źródło świeżego paliwa pomaga podtrzymywać formowanie gwiazd. W masywnych gromadach większość gazu jest szokowo ogrzewana do temperatur rentgenowskich, ale sam kierunek napływu nadal pamięta geometrię filamentów. Zrozumienie przepływu materii po sieci łączy więc dwa pytania: jak rosną wielkie gromady i skąd pojedyncza galaktyka bierze gaz do budowy nowych gwiazd. Ta sama struktura kosmologiczna wpływa na skalę milionów i tysięcy lat świetlnych.
Węzły sieci rosną wzdłuż uprzywilejowanych kierunków
Jeżeli gromada jest połączona z kilkoma filamentami, dopływ galaktyk i gazu nie musi być jednakowy ze wszystkich stron. Materia przybywa wzdłuż struktur wyznaczonych przez wcześniejszy rozkład gęstości, dlatego obrzeża gromad często noszą ślady kierunkowego wzrostu. Grupy galaktyk mogą wpadać razem, a ich własny gaz zderzać się z gorącym ośrodkiem już istniejącej gromady. Takie obserwacje łączą dwie skale, które na ilustracjach często pokazuje się osobno: filament nie kończy się abstrakcyjnie na „węźle”, lecz jest drogą, którą węzeł nadal się zasila. Wielka struktura kosmosu jest procesem transportu materii, a nie tylko geometrycznym wzorem.