Темная материя участвует в столкновении скоплений мегагалактик
Астрономы разобрались в запутанном столкновении двух массивных скоплений галактик, в котором обширные облака темной материи отделились от так называемой нормальной материи. Каждое из этих двух скоплений содержит тысячи галактик и расположено на расстоянии миллиардов световых лет от Земли.
Когда они сталкивались друг с другом, темная материя — невидимая субстанция, которая ощущает силу притяжения, но не излучает свет, — обгоняла обычную материю. Новые наблюдения являются первыми, которые непосредственно выявили расхождение скоростей темной и обычной материи.
Скопления галактик - одни из крупнейших структур во Вселенной, склеенных между собой силой притяжения. Только 15% массы таких скоплений составляет обычная материя, из которой состоят планеты, люди и все, что вы видите вокруг себя. Из этого обычного вещества подавляющее большинство составляет горячий газ, а остальное - звезды и планеты. Остальные 85% массы скопления составляет темная материя.
Во время столкновения, которое произошло между скоплениями, известными как MACS J0018.5+1626, сами отдельные галактики в основном не пострадали, потому что между ними существует большое пространство. Но когда огромные запасы газа между галактиками (обычной материи) столкнулись, газ стал турбулентным и перегретым.
В то время как вся материя, включая как обычную материю, так и темную материю, взаимодействует с помощью гравитации, обычная материя также взаимодействует с помощью электромагнетизма, который замедляет ее во время столкновения. Таким образом, в то время как обычная материя увязла, скопления темной материи внутри каждого скопления продолжили свое движение.
Представьте себе массовое столкновение нескольких самосвалов, перевозящих песок, предлагает Эмили Силич, ведущий автор нового исследования, описывающего результаты в Astrophysical Journal. "Темная материя похожа на песок и летит вперед", - говорит она. Силич - аспирант, работающий с Джеком Сэйерсом, профессором-исследователем физики в Калифорнийском технологическом институте и главным исследователем этого исследования.
Открытие было сделано с использованием данных субмиллиметровой обсерватории Калифорнийского технологического института (которая недавно была снята со своей площадки на Маунакеа на Гавайях и будет перенесена в Чили), обсерватории У.М. Кека на Маунакеа, рентгеновской обсерватории НАСА "Чандра", космического телескопа НАСА "Хаббл", Европейского космического агентства now.- вышедшие на пенсию космическая обсерватория Гершеля и обсерватория Планка (чьи научные центры, связанные с НАСА, базировались в Калифорнийском технологическом институте), а также эксперимент с субмиллиметровым телескопом Атакама в Чили. Некоторые наблюдения были сделаны десятилетия назад, в то время как полный анализ с использованием всех наборов данных был проведен за последние пару лет.
Такое разделение темной и обычной материи наблюдалось и раньше, наиболее известное из них - в скоплении Bullet. При этом столкновении было отчетливо видно, как горячий газ отстал от темной материи после того, как два скопления галактик пронзили друг друга. Ситуация, имевшая место в MACS J0018.5+1626 (впоследствии именуемом MACS J0018.5), аналогична, но ориентация слияния изменена примерно на 90 градусов относительно ориентации кластера Bullet.
Другими словами, одно из массивных скоплений в MACS J0018.5 летит почти прямо к Земле, в то время как другое стремительно удаляется. Такая ориентация дала исследователям уникальную возможность впервые определить скорость движения как темной, так и обычной материи и выяснить, как они отделяются друг от друга во время столкновения скоплений галактик.
"С помощью Bullet Cluster мы как будто сидим на трибуне и наблюдаем за автомобильными гонками и можем делать красивые снимки автомобилей, движущихся слева направо по прямой", - говорит Сэйерс. "В нашем случае это больше похоже на то, что мы движемся по прямой с радарным прицелом, стоим перед автомобилем, когда он приближается к нам, и можем определить его скорость".
Чтобы измерить скорость обычного вещества, или газа, в скоплении, исследователи использовали метод наблюдений, известный как кинетический эффект Сюняева-Зельдовича (SZ). Сэйерс и его коллеги впервые зафиксировали кинетический эффект SZ на отдельном космическом объекте, скоплении галактик MACS J0717, еще в 2013 году, используя данные CSO (первые наблюдения эффекта SZ, сделанные на MACS J0018.5, относятся к 2006 году).
Кинетический эффект SZ возникает, когда фотоны из ранней Вселенной, космический микроволновый фон (CMB), рассеивают электроны в горячем газе по пути к нам на Землю. Фотоны претерпевают сдвиг, называемый доплеровским сдвигом, из-за движения электронов в газовых облаках вдоль линии нашей видимости. Измеряя изменение яркости реликтового излучения, вызванное этим сдвигом, исследователи могут определить скорость движения газовых облаков внутри скоплений галактик.
"Эффект Сюняева-Зельдовича был еще очень новым инструментом для наблюдений, когда в 2006 году мы с Джеком впервые применили новую камеру в CSO для наблюдения скоплений галактик, и мы понятия не имели, что будут подобные открытия", - говорит Сунил Голвала, профессор физики и научный руководитель факультета Силича.
- Мы с нетерпением ожидаем множества новых сюрпризов, когда установим приборы нового поколения на телескопе в его новом доме в Чили".
К 2019 году исследователи провели эти кинетические измерения SZ в нескольких скоплениях галактик, которые позволили им определить скорость газа, или обычной материи. Они также использовали метод Кека для определения скорости галактик в скоплении, который косвенно сообщал им о скорости темной материи (поскольку темная материя и галактики ведут себя одинаково во время столкновения).
Но на данном этапе исследования команда имела ограниченное представление о направленности кластеров. Они знали только, что один из них, MACS J0018.5, демонстрировал признаки чего—то странного - горячий газ, или обычная материя, двигался в направлении, противоположном направлению движения темной материи.
"У нас была полная неразбериха со скоростями в противоположных направлениях, и сначала мы подумали, что это может быть проблемой с нашими данными. Даже наши коллеги, которые моделировали скопления галактик, не знали, что происходит", - говорит Сэйерс. - А потом вмешалась Эмили и все распутала.
В рамках своей докторской диссертации Силич попыталась разобраться с загадкой MACS J0018.5. Она обратилась к данным рентгеновской обсерватории "Чандра", чтобы определить температуру и местоположение газа в скоплениях, а также степень, в которой газ подвергался удару.
"Эти столкновения скоплений являются наиболее энергичными явлениями со времен Большого взрыва", - говорит Силич. "Чандра измеряет экстремальные температуры газа и рассказывает нам о возрасте слияния и о том, как недавно столкнулись скопления".
Команда также работала с Ади Цитрином из Университета Бен-Гуриона в Негеве в Израиле, чтобы использовать данные Хаббла для составления карты темной материи с использованием метода, известного как гравитационное линзирование.
Кроме того, Джон Зухоун из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института помог команде смоделировать столкновение скоплений. Эти расчеты были использованы в сочетании с данными, полученными с различных телескопов, чтобы в конечном итоге определить геометрию и эволюционную стадию столкновения скоплений. Ученые обнаружили, что до столкновения скопления двигались навстречу друг другу со скоростью примерно 3000 километров в секунду, что составляет примерно 1% от скорости света.
Получив более полную картину происходящего, исследователи смогли выяснить, почему темная материя и нормальная материя, казалось, двигались в противоположных направлениях. Хотя ученые говорят, что это трудно визуализировать, направление столкновения в сочетании с тем фактом, что темная материя и нормальная материя отделились друг от друга, объясняет странные измерения скорости.
Исследователи надеются, что в будущем новые исследования, подобные этому, позволят получить новые сведения о таинственной природе темной материи.
"Это исследование является отправной точкой для более детального изучения природы темной материи", - говорит Силич. "У нас есть новый тип прямого зондирования, который показывает, как темная материя ведет себя иначе, чем обычная материя".
Сэйерс, который вспоминает, как почти 20 лет назад впервые собрал данные CSO об этом объекте, говорит: "Нам потребовалось много времени, чтобы сложить все кусочки головоломки воедино, но теперь мы, наконец, знаем, что происходит. Мы надеемся, что это приведет к совершенно новому способу изучения темной материи в скоплениях".
