Vintergatan mäter 100 till 120 tusen ljusår i diameter, ett avstånd som trotsar fantasin. Men galaxhopar, som omfattar hundratals till tusentals galaxer som svärmar under en kollektiv gravitationskraft, kan sträcka sig över tiotals miljoner ljusår.
Dessa massiva hopar 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-rymdteleskopet Hubble gjort exakt detta - exakt kartlagt en galaxhop, kallad MCS J0416.1–2403, 4,5 miljarder ljusår bort.
'Även om vi har vetat hur man kartlägger massan av ett kluster med hjälp av stark lins i mer än tjugo år, har det tagit lång tid att få teleskop som kan göra tillräckligt djupa och skarpa observationer, och för att våra modeller ska bli sofistikerade nog för oss att kartlägga, i så oöverträffad detalj, ett system så komplicerat som MCS J0416.1–2403”, sa medförfattaren Jean-Paul Kneib i en pressmeddelande.
Att mäta mängden och fördelningen av massa inom avlägsna objekt kan vara extremt svårt. Speciellt när tre fjärdedelar av all materia i universum är mörk materia, som inte kan ses direkt då den inte avger eller reflekterar något ljus. Det samverkar endast genom gravitationen.
Men lyckligtvis förvränger och förvränger stora materiaklumpar tyget av rum-tid runt dem. De fungerar som linser och tycks förstora och böja ljus som passerar förbi dem från mer avlägsna föremål.
Denna effekt, känd som gravitationslinsning, är bara synlig i sällsynta fall och kan bara upptäckas av de största teleskopen. Även galaxhopar, trots sin massiva storlek, producerar minimala gravitationseffekter på sin omgivning. För det mesta orsakar de svag linsning, vilket gör att ännu mer avlägsna källor framstår som bara något mer elliptiska över himlen.
Men när inriktningen av klustret och det avlägsna objektet är helt rätt, kan effekterna bli betydande. Bakgrundsgalaxerna kan både ljusnas upp och omvandlas till ringar och ljusbågar, som dyker upp flera gånger i samma bild. Det är denna effekt, känd som stark linsning, som hjälpte astronomer att kartlägga massfördelningen i MCS J0416.1–2403.
'Djupet på data gör att vi kan se mycket svaga föremål och har gjort det möjligt för oss att identifiera starkare linsgalaxer än någonsin tidigare', säger huvudförfattaren Dr Jauzac. 'Även om stark linsning förstorar bakgrundsgalaxerna är de fortfarande väldigt långt borta och väldigt svaga. Djupet på dessa data gör att vi kan identifiera otroligt avlägsna bakgrundsgalaxer. Vi känner nu till mer än fyra gånger så många starkt linsförsedda galaxer i klustret än vi gjorde tidigare.'
Med hjälp av Hubbles avancerade kamera för undersökningar identifierade astronomerna 51 nya flerbildsgalaxer runt klustret, vilket 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 inom klustret är 160 biljoner gånger solens massa, med en osäkerhet på 0,5 %. Det är den mest exakta kartan som någonsin producerats.
Men Jauzac och kollegor planerar inte att sluta här. En ännu mer exakt bild av galaxhopen måste också inkludera mätningar från svag lins. 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 förskjutningar i galaxernas spektra och noterar därför hastigheterna för innehållet i klustret. Att kombinera alla mätningar kommer inte bara att förbättra detaljerna ytterligare, utan också ge en 3D-modell av galaxerna i klustret, vilket belyser dess historia och evolution.
Detta arbete har godkänts för publicering iMånatliga meddelanden om Royal Astronomyoch är tillgänglig online.