Вчені змогли як слід розгледіти зіткнення двох скупчень галактик. Кожне з них оточує темна матерія, що утворює своєрідний ореол. І тепер дослідники знають, що при таких екстремальних подіях вона активно взаємодіє зі звичайною і розлітається вусібіч.
Зіткнення двох метагалактик
Астрономи розплутали безладне зіткнення між двома масивними скупченнями галактик, в якому величезні хмари темної матерії відокремилися від так званої нормальної матерії. Обидва скупчення містять тисячі галактик і розташовані на відстані мільярдів світлових років від Землі.
Коли вони пронизували одне одного, темна матерія — невидима субстанція, яка відчуває силу гравітації, але не випромінює світла — випереджала нормальну матерію. Нові спостереження є першими, які безпосередньо досліджують розділення швидкостей темної та нормальної матерії.
Скупчення галактик є одними з найбільших структур у Всесвіті, склеєних між собою силою гравітації. Лише 15% маси в таких скупченнях — це нормальна матерія, з якої складаються планети, люди й усе, що ви бачите навколо себе. Переважно вона представлена гарячим газом, і лише невеличка її частина — зорі та планети. Решта 85% маси скупчення — це темна матерія.
Під час сутички, що відбулася між скупченнями, відомими як MACS J0018.5+1626, окремі галактики майже не постраждали, оскільки між ними було дуже багато простору. Але коли величезні запаси газу між галактиками (звичайна матерія) зіткнулися, газ став турбулентним і перегрітим.
Взаємодія нормальної та темної матерії
Хоча вся матерія, включаючи як нормальну, так і темну, взаємодіє через гравітацію, нормальна матерія також взаємодіє через електромагнетизм, який сповільнює її під час зіткнення. Отже, поки нормальна матерія застрягла, скупчення темної матерії в кожному кластері пропливали далі.
«Уявіть собі масове зіткнення кількох самоскидів, що перевозять пісок, — пропонує Емілі Сіліч, провідна авторка нового дослідження, що описує результати в The Astrophysical Journal. — Темна матерія схожа на пісок і летить вперед», — каже вона. Сіліч — аспірантка, яка працює із Джеком Саєрсом, професором фізики в Каліфорнійському технологічному інституті й головним дослідником експерименту.
Відкриття було зроблене з використанням даних Субміліметрової обсерваторії Каліфорнійського технологічного інституту, обсерваторії W.M. Кека на Маунакеа, рентгенівської обсерваторії NASA Chandra, космічного телескопа NASA Hubble, космічної обсерваторії Європейської космічної агенції Hershel й обсерваторії Plunk, а також завдяки експерименту із субміліметровим телескопом в пустелі Атакама в Чилі. Деякі спостереження були зроблені десятки років тому, тоді як повний аналіз із використанням усіх наборів даних відбувся протягом останніх кількох років.
Розділення нормальної та темної матерії
Таке розділення темної та нормальної матерії спостерігалося і раніше, найвідоміше — в кульовому скупченні. У цьому зіткненні можна було бачити, як гарячий газ явно відстає від темної матерії після того, як два скупчення галактик прострелили одне одного. Ситуація, що сталася у MACS J0018.5+1626 (надалі MACS J0018.5), схожа, але орієнтація злиття повернута приблизно на 90 градусів відносно скупчення кулі.
Іншими словами, одне з масивних скупчень у MACS J0018.5 летить майже прямо до Землі, тоді як інше мчить від неї. Така орієнтація дала дослідникам унікальну точку спостереження, з якої вони вперше визначили швидкості темної та нормальної матерії й з’ясували, як вони відокремлюються одне від одного під час зіткнення скупчень галактик.
Кінетичний ефект Сюняєва — Зельдовича
Для вимірювання швидкості звичайної матерії, або газу, у скупченні дослідники використали метод спостереження, відомий як кінетичний ефект Сюняєва — Зельдовича (SZ). Саєрс і його колеги вперше виявили цей кінетичний ефект на окремому космічному об’єкті, скупченні галактик MACS J0717, ще в 2013 році, використовуючи дані CSO (перші спостереження ефекту Сюняєва — Зеловича, зроблені для MACS J0018.5, датуються 2006 роком).
Кінетичний SZ-ефект виникає, коли фотони з раннього Всесвіту, космічного мікрохвильового фону (CMB), розсіюються на електронах у гарячому газі на шляху до Землі. Фотони зазнають так званого доплерівського зсуву через рух електронів у газових хмарах вздовж нашої лінії зору. Вимірюючи зміну яскравості CMB внаслідок цього зсуву, дослідники можуть визначити швидкість газових хмар у скупченнях галактик.
До 2019 року науковці провели ці кінетичні вимірювання SZ у кількох скупченнях галактик, що дозволило їм визначити швидкість газу, або нормальної матерії. Вони також використовували телескоп Кек, щоб дізнатися швидкість галактик у скупченні, що дало їм приблизну швидкість темної матерії (оскільки темна матерія і галактики поводяться подібним чином під час зіткнення).
Але на цьому етапі дослідження команда мала обмежене розуміння орієнтації скупчень. Вони лише знали, що в одному з них, MACS J0018.5, спостерігалися ознаки чогось дивного — гарячий газ, або нормальна матерія, рухався у протилежному напрямку від темної матерії.
Команда також працювала з Аді Зітріном з Університету Бен-Гуріона в Негеві в Ізраїлі над використанням даних Hubble для мапування темної матерії за допомогою методу, відомого як гравітаційне лінзування.
Чому нормальна і темна матерія рухаються у різних напрямках?
Крім того, Джон Зу Хон із Центру астрофізики Гарвардського та Смітсонівського інститутів допоміг команді змоделювати зіткнення кластерів. Ці симуляції були використані в поєднанні з даними з різних телескопів для остаточного визначення геометрії та еволюційної стадії зіткнення скупчень. Вчені виявили, що перед зіткненням скупчення рухалися назустріч одне одному зі швидкістю приблизно 3000 км/с, що дорівнює приблизно 1% від швидкості світла.
Маючи більш повну картину того, що відбувалося, дослідники змогли з’ясувати, чому темна матерія і нормальна матерія, як виявилося, рухалися у протилежних напрямках. Хоча вчені кажуть, що це важко уявити, орієнтація зіткнення у поєднанні з тим, що темна матерія і нормальна відокремилися одна від одної, пояснює дивні результати вимірювань швидкості.
У майбутньому дослідники сподіваються, що більше досліджень, подібних до цього, приведуть до нових підказок про загадкову природу темної матерії. «Це дослідження є відправною точкою для більш детального вивчення природи темної матерії, — каже Сіліч. — Ми маємо новий тип прямого зонда, який показує, що темна матерія поводиться інакше, ніж нормальна».
Саєрс, який вперше зібрав дані про цей об’єкт майже 20 років тому, каже: «Нам знадобилося багато часу, щоб зібрати всі шматочки пазла разом, але тепер ми нарешті знаємо, що відбувається. Ми сподіваємося, що це призведе до абсолютно нового способу вивчення темної матерії у кластерах».
За матеріалами phys.org
