Впечатления этого художника показывают, что произошло, когда столкнулись два массивных скопления галактик, известных под общим названием MACS J0018.5: темная материя в скоплениях галактик (синий) плыла впереди связанных с ними облаков горячего газа или нормальной материи (оранжевый). И темная материя, и нормальная материя испытывают притяжение гравитации, но только нормальная материя испытывает дополнительные эффекты, такие как толчки и турбулентность, которые замедляют ее во время столкновений. Фото предоставлено: Обсерватория В.М. Кека/Адам Макаренко.
Астрономы расшифровали хаотическое столкновение двух массивных скоплений галактик, в результате которого огромные облака темной материи скоплений отделились от так называемой нормальной материи. Каждое из этих двух скоплений содержит тысячи галактик и находится на расстоянии миллиардов световых лет от Земли.
Когда они пересекали друг друга, темная материя — невидимая субстанция, которая ощущает гравитацию, но не излучает свет — мчалась впереди обычной материи. Новые наблюдения являются первыми, которые напрямую изучают разделение скоростей темной и нормальной материи.
Скопления галактик являются одними из крупнейших структур во Вселенной и удерживаются вместе под действием гравитации. Лишь 15% массы таких скоплений состоит из обычной материи, той самой материи, из которой состоят планеты, люди и все, что вы видите вокруг себя. Большая часть этой обычной материи состоит из горячего газа, остальное — звезды и планеты. Остальные 85% массы скопления составляют темная материя.
Во время битвы между скоплениями галактик, общим названием MACS J0018.5+1626, отдельные галактики сами по себе остались практически нетронутыми, поскольку между ними очень много пространства. Однако когда огромные запасы газа между галактиками (обычной материи) столкнулись, газ стал турбулентным и перегретым.
В то время как вся материя, как нормальная, так и темная, взаимодействует друг с другом посредством гравитации, нормальная материя также взаимодействует посредством электромагнетизма, который замедляет ее при столкновении. Таким образом, хотя нормальная материя оставалась застрявшей, скопления темной материи внутри каждого скопления плыли дальше.
«Представьте себе массовое столкновение нескольких самосвалов, груженных песком», — предлагает Эмили Силич, ведущий автор нового исследования, описывающего результаты в Astrophysical Journal. «Темная материя подобна песку и летит вперед», — говорит она. Силич — аспирант, работающий с Джеком Сэйерсом, профессором физики Калифорнийского технологического института и главным исследователем исследования.
Открытие было сделано с использованием данных Субмиллиметровой обсерватории Калифорнийского технологического института (которая недавно была перемещена со своего места на Маунакеа на Гавайях и перемещается в Чили), обсерватории У.М. Кека на Маунакеа, рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра», космического телескопа «Хаббл» НАСА. , ныне выведенный из эксплуатации космический телескоп «Гершель» и обсерватория «Планк» Европейского космического агентства (чьи дочерние научные центры НАСА располагались в IPAC Калифорнийского технологического института), а также эксперимент с субмиллиметровым телескопом в Атакаме в Чили. Некоторые наблюдения были сделаны десятилетия назад, тогда как полный анализ с использованием всех наборов данных был проведен в последние годы.
Подобное разделение темной и нормальной материи наблюдалось и раньше, особенно в скоплении Пуля. В этом столкновении ясно видно, что горячий газ отстает от темной материи после того, как два скопления галактик пролетели друг через друга. Ситуация с MACS J0018.5+1626 (далее именуемым MACS J0018.5) аналогична, но ориентация слияния повернута примерно на 90 градусов по сравнению с ориентацией пулевого кластера.
Другими словами, одно из массивных скоплений галактик в MACS J0018.5 летит почти прямо к Земле, а другое уносится прочь. Такое выравнивание дало исследователям уникальную точку зрения, с которой они впервые смогли определить скорости как темной, так и нормальной материи, а также объяснить, как они отделяются друг от друга во время столкновения скоплений галактик.
«С Bullet Cluster мы словно сидим на трибуне, наблюдаем за автомобильными гонками и делаем красивые снимки машин, движущихся слева направо по прямой», — говорит Сэйерс. «В нашем случае это больше похоже на то, что мы стоим на прямой с радаром, стоим перед приближающейся к нам машиной и измеряем ее скорость».
Чтобы измерить скорость обычной материи или газа в скоплении, исследователи использовали метод наблюдения, известный как кинетический эффект Сюняева-Зельдовича (СЗ). Сэйерс и его коллеги впервые смогли наблюдать кинетический эффект SZ в 2013 году, используя данные CSO, в одном космическом объекте, скоплении галактик под названием MACS J0717 (первые наблюдения эффекта SZ в MACS J0018.5 были сделаны с 2006).
Кинетический эффект SZ возникает, когда фотоны из ранней Вселенной, космическое микроволновое фоновое излучение (CMB), рассеиваются электронами в горячем газе на пути к Земле. Фотоны претерпевают сдвиг, называемый доплеровским сдвигом, из-за движения электронов в газовых облаках вдоль луча нашего зрения. Измеряя изменение яркости реликтового излучения из-за этого сдвига, исследователи могут определить скорость газовых облаков в скоплениях галактик.
«Эффекты Сюняева-Зельдовича были еще совершенно новым инструментом наблюдения, когда мы с Джеком впервые направили новую камеру на скопления галактик в CSO в 2006 году, и мы понятия не имели, что такие открытия произойдут», — говорит Сунил Голвала, профессор. кандидат физики и научный руководитель Силича.
«Мы с нетерпением ждем множества сюрпризов, когда будем оснащать телескоп инструментами нового поколения в его новом доме в Чили».
К 2019 году исследователи провели кинетические измерения SZ в нескольких скоплениях галактик, которые позволили им определить скорость газа или обычной материи. Они также использовали Кека для определения скорости галактик в скоплении, что косвенно говорило им о скорости темной материи (поскольку темная материя и галактики ведут себя одинаково во время столкновения).
Но на этом этапе исследования команда имела ограниченные знания об ориентации кластеров. Все, что они знали, это то, что один из них, MACS J0018.5, показывал признаки того, что происходит что-то странное — горячий газ, или нормальная материя, двигался в направлении, противоположном темной материи.
«У нас была эта полная чудачка со скоростями в противоположных направлениях, и мы сначала подумали, что это может быть проблемой с нашими данными. Даже наши коллеги, моделирующие скопления галактик, не знали, что происходит», — говорит Сэйерс. «А потом вмешалась Эмили и все распутала».
Часть своей докторской диссертации Силич посвятила тайне MACS J0018.5. Она использовала данные рентгеновской обсерватории Чандра, чтобы определить температуру и расположение газа в скоплениях, а также степень вибраций газа.
«Эти столкновения кластеров — самые энергичные явления со времен Большого взрыва», — говорит Силич. «Чандра измеряет экстремальные температуры газа и сообщает нам возраст слияния и то, как давно столкнулись скопления».
Команда также работала с Ади Зитрином из Университета Бен-Гуриона в Негеве в Израиле, чтобы использовать данные Хаббла для картирования темной материи с помощью метода, известного как гравитационное линзирование.
Кроме того, Джон ЗуХон из Центра астрофизики Гарвардского и Смитсоновского университетов помог команде смоделировать столкновение двух скоплений галактик. Эти симуляции использовались в сочетании с данными различных телескопов, чтобы в конечном итоге определить геометрию и стадию столкновения двух скоплений галактик. Ученые установили, что перед столкновением скопления галактик двигались навстречу друг другу со скоростью около 3000 километров в секунду, что составляет около 1% скорости света.
Имея более полную картину происходящего, исследователи смогли выяснить, почему темная материя и нормальная материя движутся в противоположных направлениях. Хотя ученые говорят, что это трудно себе представить, ориентация столкновения в сочетании с тем фактом, что темная и нормальная материя разделились, объясняет необычные измерения скорости.
Исследователи надеются, что новые исследования, подобные этому, приведут к новым разгадкам загадочной природы темной материи в будущем.
«Это исследование является отправной точкой для более детального изучения природы темной материи», — говорит Силич. «У нас есть новый тип прямого исследования, которое показывает, как темная материя ведет себя иначе, чем обычная материя».
Сэйерс вспоминает, как впервые собрал данные CSO об этом объекте почти 20 лет назад. «Нам потребовалось много времени, чтобы собрать все части головоломки воедино, но теперь мы, наконец, знаем, что происходит. Мы надеемся, что это приведет к совершенно новому способу изучения темной материи в скоплениях», — говорит он.
Информация от: Калифорнийским технологическим институтом.
