Vintergatan mäter 100 till 120 tusen ljusår över, ett avstånd som trotsar fantasin. Men kluster av galaxer, som omfattar hundratals till tusentals galaxer som svärmar under en kollektiv tyngdkraft, kan sträcka sig över tiotals miljoner ljusår.
Dessa massiva kluster är ett komplext samspel mellan kolliderande galaxer och mörk materia. De verkar omöjliga att kartlägga exakt. Men nu har ett internationellt team av astronomer som använder NASA / ESA Hubble Space Telescope gjort exakt detta - precis kartlägga ett galaxklynge, kallad MCS J0416.1–2403, 4,5 miljarder ljusår bort.
”Även om vi har vetat hur man kartlägger massan på ett kluster med stark linsning i mer än tjugo år tar det lång tid att få teleskop som kan göra tillräckligt djupa och skarpa observationer och för våra modeller att bli sofistikerade nog för oss att kartlägga, i så ovanlig detalj, ett system som är så komplicerat som MCS J0416.1–2403, ”sa medförfattare Jean-Paul Kneib i ett pressmeddelande.
Att mäta mängden och fördelningen av massan i avlägsna föremål kan vara extremt svårt. Särskilt när tre fjärdedelar av all materia i universum är mörk materia, som inte kan ses direkt eftersom det inte avger eller reflekterar något ljus. Det samspelar bara genom tyngdkraften.
Men lyckligtvis är stora klumpar av materie varv och snedvrider rymdtidens omgivning. De agerar som linser och verkar förstora och böja ljus som rör sig förbi dem från mer avlägsna föremål.
Denna effekt, känd som gravitationslinsning, är endast synlig i sällsynta fall och kan bara upptäckas av de största teleskopen. Även galaxkluster, trots sin massiva storlek, ger minimala gravitationseffekter på omgivningen. För det mesta orsakar de svag linsning, vilket gör att ännu mer avlägsna källor verkar vara bara lite mer elliptiska över himlen.
Men när justeringen av klustret och det avlägsna objektet är helt rätt, kan effekterna vara betydande. Bakgrundsgalaxerna kan både bli ljusare och omvandlas till ringar och ljusbågar och visas flera gånger i samma bild. Det är denna effekt, känd som stark linsning, som hjälpte astronomer att kartlägga massfördelningen i MCS J0416.1–2403.
"Datadjupet låter oss se mycket svaga föremål och har gjort det möjligt för oss att identifiera starkare linsade galaxer än någonsin tidigare," sade huvudförfattaren Dr Jauzac. ”Även om stark linsning förstorar bakgalaxerna är de fortfarande väldigt långt borta och mycket svaga. Djupet för dessa data innebär att vi kan identifiera otroligt avlägsna bakgrundsgalaxier. Vi känner nu till mer än fyra gånger så många starkt linsade galaxer i klustret än vi gjorde tidigare. ”
Med hjälp av Hubbles avancerade kamera för undersökningar identifierade astronomerna 51 nya avbildade galaxer runt klustret och fyrdubblade antalet som hittades i tidigare undersökningar. Denna effekt har gjort det möjligt för Jauzac och hennes kollegor att beräkna fördelningen av synlig och mörk materia i klustret och producera en mycket begränsad karta över dess massa.
Den totala massan i klustret är 160 biljoner gånger solens massa, med en osäkerhet på 0,5%. Det är den mest exakta kartan som någonsin har producerats.
Men Jauzac och kollegor planerar inte att stanna här. En ännu mer exakt bild av galaxklyngen måste också inkludera mätningar från svag linsning. Så teamet kommer att fortsätta att studera klustret med hjälp av ultradjup Hubble-avbildning.
De kommer också att använda markbaserade observatorier för att mäta eventuella förändringar i galaxernas spektra och noterar därför hastigheterna för klusterinnehållet. Att kombinera alla mätningar kommer inte bara att förbättra detaljerna ytterligare, utan ger också en 3D-modell av galaxerna i klustret, och belyser dess historia och utveckling.
Detta arbete har accepterats för publicering i Månadsmeddelanden om den kungliga astronomin och är tillgänglig online.
