Телескоп «Джеймс Уэбб» помог астрономам изучить скопление галактик XLSSC 122, которое сформировалось около 10,4 млрд лет назад. Несмотря на молодой по космическим меркам возраст, оно уже обладает необычно плотной центральной областью, где сосредоточена значительная часть его массы. Это может указывать на то, что некоторые крупные структуры Вселенной развивались быстрее, чем предполагают стандартные космологические модели.

Наблюдения также позволили обнаружить самое раннее из известных свидетельств внутрикластерного света — слабого свечения звезд, разбросанных между галактиками. Его распределение оказалось тесно связано с расположением темной материи, что в будущем может помочь астрономам изучать невидимую составляющую Вселенной.

Результаты трех исследований под руководством ученых IPAC — научного центра Калифорнийского технологического института, занимающегося астрофизикой и планетологией, — представили 17 июня 2026 года на конференции Американского астрономического общества.

Гравитационная линза раскрыла скрытую массу

Скопление XLSSC 122 впервые обнаружили в 2014 году с помощью рентгеновского телескопа XMM-Newton Европейского космического агентства. Позднее наблюдения «Хаббла» позволили уточнить его расстояние от Земли — около 10,4 млрд световых лет — и показали, что скопление выглядит удивительно зрелым для своей эпохи.

Однако именно «Джеймс Уэбб» обнаружил характерные дуги света вокруг центра скопления. Они возникают благодаря сильному гравитационному линзированию: массивный объект искривляет пространство-время и меняет направление распространения света от более далеких галактик, находящихся за ним.

В результате фоновые объекты могут выглядеть вытянутыми, изогнутыми или даже образовывать несколько изображений. Анализ этих искажений позволяет оценить массу скопления, включая ту ее часть, которую невозможно увидеть непосредственно.

XLSSC 122 стало самым далеким из известных скоплений галактик, в котором обнаружено сильное гравитационное линзирование. Для астрономов это особенно ценно: чем точнее удается измерить распределение массы, тем лучше можно проверить теории формирования космических структур.

Темной материи в центре оказалось неожиданно много

XLSSC 122 существовало в эпоху, которую астрономы называют космическим полуднем. Примерно 10 млрд лет назад звездообразование во Вселенной достигло особенно высокой интенсивности: некоторые галактики производили звезды в десятки раз быстрее, чем типичные галактики сегодня. Одновременно небольшие структуры постепенно объединялись в более крупные скопления.

Но XLSSC 122 выделяется даже на этом фоне. Измерения показали, что значительная доля его массы сосредоточена в центральной области. Такая концентрация оказалась неожиданной для скопления, существовавшего на столь раннем этапе истории Вселенной.

Это создает проблему для стандартных космологических моделей, описывающих рост структур под действием гравитации. Если подобные объекты окажутся не исключением, ученым, возможно, придется пересмотреть некоторые представления о том, как быстро формировались массивные скопления галактик.

При этом одного необычного объекта недостаточно, чтобы опровергнуть существующие модели. Пока неизвестно, насколько XLSSC 122 типично для своей эпохи.

Как астрономы составили карту невидимой материи

Обычное вещество — звезды, газ и другие объекты, излучающие или поглощающие свет, — составляет лишь небольшую часть массы скопления. Основной вклад в гравитационные искажения, по оценкам ученых, вносит темная материя.

Ее нельзя наблюдать непосредственно в обычном свете, однако ее присутствие выдают гравитационные эффекты. В космических масштабах темная материя помогает удерживать галактики и скопления вместе и участвует в формировании крупномасштабной структуры Вселенной.

Чтобы восстановить распределение массы XLSSC 122, исследователи использовали не только сильное, но и слабое гравитационное линзирование. В отличие от сильного, которое создает заметные дуги и другие выраженные искажения, слабое линзирование слегка меняет видимую форму множества фоновых галактик. Эти небольшие изменения выявляют статистически.

Два метода дополняют друг друга. Сильное линзирование особенно полезно для изучения плотного центра скопления, а слабое позволяет оценить распределение массы на более значительном удалении от него.

В сочетании с рентгеновскими и радиоизмерениями других телескопов эти данные показали, что XLSSC 122 все еще переживает слияние: его составляющие продолжают взаимодействовать и объединяться. Необычно высокая концентрация массы в центре при этом сохранилась.

Свет звезд между галактиками повторяет распределение темной материи

Еще одна важная находка связана с внутрикластерным светом — слабым свечением звезд, которые уже не принадлежат отдельным галактикам и находятся в пространстве между ними.

Такие звезды могут оказаться на свободе, когда гравитационное взаимодействие галактик вытягивает их из исходных систем. Поэтому распределение внутрикластерного света способно рассказать о столкновениях и слияниях, через которые проходит скопление.

Наблюдения «Джеймса Уэбба» выявили этот свет в XLSSC 122 на рекордно раннем этапе космической истории. Его распределение также помогло подтвердить, что скопление находится в процессе слияния.

Но исследователи обнаружили и более неожиданную закономерность: в центральной области скопления форма и распределение внутрикластерного света хорошо совпадают с картой темной материи, восстановленной по сильному гравитационному линзированию.

Это означает, что слабое свечение межгалактических звезд потенциально может служить видимым ориентиром для поиска невидимой массы. Если такая связь подтвердится в других скоплениях, астрономы получат дополнительный инструмент для изучения распределения темной материи, в том числе в ранней Вселенной.

Однако пока речь идет об одной системе. Необходимо проверить, сохраняется ли эта закономерность в других скоплениях и в разных условиях.

Почему одного скопления недостаточно

Следующий шаг для команды — найти и исследовать десятки других скоплений, существовавших на сопоставимо ранних этапах истории Вселенной. Это позволит выяснить, насколько часто встречаются объекты с такой высокой концентрацией массы и действительно ли они развивались быстрее, чем предсказывают модели.

Сам «Джеймс Уэбб» подходит прежде всего для детального изучения отдельных целей: его поле зрения относительно невелико для масштабных обзоров неба. Поэтому перспективные объекты приходится сначала искать с помощью широких рентгеновских и радиообзоров.

Один из способов обнаружения скоплений связан с эффектом Сюняева — Зельдовича. Энергичные частицы горячего газа внутри скопления взаимодействуют с реликтовым излучением — остаточным излучением ранней Вселенной, — изменяя его спектр. Эти изменения помогают находить массивные структуры даже тогда, когда их трудно обнаружить другими методами.

Если в ранней Вселенной обнаружится много скоплений, подобных XLSSC 122, это станет серьезной проверкой современных представлений о формировании космических структур. Пока же открытие указывает на необычный объект и подсказывает новые способы исследования темной материи, но не доказывает, что стандартная космологическая модель ошибочна.

Как отмечает руководитель исследования Кайл Финнер, эпоха «Джеймса Уэбба» только начинается. Данные о десятках или сотнях таких объектов позволят гораздо надежнее проверить, насколько точно современные теории описывают эволюцию Вселенной.