Ученые смогли как следует разглядеть столкновение двух скоплений галактик. Каждое из них окружает темная материя, образующая своеобразный ореол. И теперь исследователи знают, что при таких экстремальных событиях она активно взаимодействует с обычной и разлетается во все стороны.
Столкновение двух метагалактик
Астрономы распутали беспорядочное столкновение между двумя массивными скоплениями галактик, в котором огромные облака темной материи отделились от так называемой нормальной материи. Оба скопления содержат тысячи галактик и расположены на расстоянии миллиардов световых лет от Земли.
Когда они пронизывали друг друга, темная материя — невидимая субстанция, которая испытывает силу гравитации, но не излучает света — опережала нормальную материю. Новые наблюдения являются первыми, которые непосредственно исследуют разделение скоростей темной и нормальной материи.
Скопления галактик являются одними из самых больших структур во Вселенной, склеенных между собой силой гравитации. Лишь 15% массы в таких скоплениях — это нормальная материя, из которой состоят планеты, люди и все, что вы видите вокруг себя. Преимущественно она представлена горячим газом, и лишь небольшая ее часть — звезды и планеты. Остальные 85% массы скопления — это темная материя.
Во время столкновения, произошедшего между скоплениями, известными как MACS J0018.5+1626, отдельные галактики почти не пострадали, поскольку между ними было очень много пространства. Но когда огромные запасы газа между галактиками (обычная материя) столкнулись, газ стал турбулентным и перегретым.
Взаимодействие нормальной и темной материи
Хотя вся материя, включая как нормальную, так и темную, взаимодействует через гравитацию, нормальная материя также взаимодействует через электромагнетизм, который замедляет ее во время столкновения. Итак, пока нормальная материя застряла, скопления темной материи в каждом кластере проплывали дальше.
«Представьте себе массовое столкновение нескольких самосвалов, перевозящих песок, — предлагает Эмили Силич, ведущий автор нового исследования, описывающего результаты в The Astrophysical Journal. — Темная материя похожа на песок и летит вперед», — говорит она. Силич — аспирантка, которая работает с Джеком Сайерсом, профессором физики в Калифорнийском технологическом институте и главным исследователем эксперимента.
Открытие было сделано с использованием данных Субмиллиметровой обсерватории Калифорнийского технологического института, обсерватории W.M. Кека на Маунакеа, рентгеновской обсерватории NASA Chandra, космического телескопа NASA Hubble, космической обсерватории Европейского космического агентства Hershel и обсерватории Plunk, а также благодаря эксперименту с субмиллиметровым телескопом в пустыне Атакама в Чили. Некоторые наблюдения были сделаны десятки лет назад, тогда как полный анализ с использованием всех наборов данных произошел в течение последних нескольких лет.
Разделение нормальной и темной материи
Такое разделение темной и нормальной материи наблюдалось и раньше, самое известное — в шаровом скоплении. В этом столкновении можно было видеть, как горячий газ явно отстает от темной материи после того, как два скопления галактик прострелили друг друга. Ситуация, произошедшая в MACS J0018.5+1626 (в дальнейшем MACS J0018.5), похожа, но ориентация слияния повернута примерно на 90 градусов относительно скопления шара.
Другими словами, одно из массивных скоплений в MACS J0018.5 летит почти прямо к Земле, тогда как другое мчится от нее. Такая ориентация дала исследователям уникальную точку наблюдения, с которой они впервые определили скорости темной и нормальной материи и выяснили, как они отделяются друг от друга во время столкновения скоплений галактик.
Кинетический эффект Сюняева — Зельдовича
Для измерения скорости обычной материи, или газа, в скоплении исследователи использовали метод наблюдения, известный как кинетический эффект Сюняева — Зельдовича (SZ). Сайерс и его коллеги впервые обнаружили этот кинетический эффект на отдельном космическом объекте, скоплении галактик MACS J0717, еще в 2013 году, используя данные CSO (первые наблюдения эффекта Сюняева — Зельдовича, сделанные для MACS J0018.5, датируются 2006 годом).
Кинетический SZ-эффект возникает, когда фотоны из ранней Вселенной, космического микроволнового фона (CMB), рассеиваются на электронах в горячем газе на пути к Земле. Фотоны испытывают так называемое допплеровское смещение из-за движения электронов в газовых облаках вдоль нашей линии зрения. Измеряя изменение яркости CMB вследствие этого смещения, исследователи могут определить скорость газовых облаков в скоплениях галактик.
К 2019 году исследователи провели эти кинетические измерения SZ в нескольких скоплениях галактик, что позволило им определить скорость газа, или нормальной материи. Они также использовали телескоп Кек, чтобы узнать скорость галактик в скоплении, что дало им приблизительную скорость темной материи (поскольку темная материя и галактики ведут себя подобным образом при столкновении).
Но на этом этапе исследования команда имела ограниченное понимание ориентации скоплений. Они лишь знали, что в одном из них, MACS J0018.5, наблюдались признаки чего-то странного — горячий газ, или нормальная материя, двигался в противоположном направлении от темной материи.
Команда также работала с Ади Зитрином из Университета Бен-Гуриона в Негеве в Израиле над использованием данных Hubble для картирования темной материи с помощью метода, известного как гравитационное линзирование.
Почему нормальная и темная материя движутся в разных направлениях?
Кроме того, Джон Зу Хон из Центра астрофизики Гарвардского и Смитсоновского институтов помог команде смоделировать столкновения кластеров. Эти симуляции были использованы в сочетании с данными с различных телескопов для окончательного определения геометрии и эволюционной стадии столкновения скоплений. Ученые обнаружили, что перед столкновением скопления двигались навстречу друг другу со скоростью примерно 3000 км/с, что равно примерно 1% от скорости света.
Имея более полную картину происходившего, исследователи смогли выяснить, почему темная материя и нормальная, как оказалось, двигались в противоположных направлениях. Хотя ученые говорят, что это трудно представить, ориентация столкновения в сочетании с тем, что темная материя и нормальная материя отделились друг от друга, объясняет странные результаты измерений скорости.
В будущем ученые надеются, что больше исследований, подобных этому, приведут к новым подсказкам о загадочной природе темной материи. «Это исследование является отправной точкой для более детального изучения природы темной материи, — говорит Силич. — Мы имеем новый тип прямого зонда, который показывает, что темная материя ведет себя иначе, чем нормальная».
Сайерс, который впервые собрал данные об этом объекте почти 20 лет назад, говорит: «Нам понадобилось много времени, чтобы собрать все кусочки пазла вместе, но теперь мы наконец знаем, что происходит. Мы надеемся, что это приведет к совершенно новому способу изучения темной материи в кластерах».
По материалам phys.org
