Темная материя летит впереди обычной во время столкновения мегаскоплений галактик

Астрономы распутали беспорядочное столкновение между двумя массивными скоплениями галактик, в котором огромные облака темной материи отделились от так называемой обычной материи. Оба скопления содержат тысячи галактик и расположены на расстоянии миллиардов световых лет от Земли.

Когда одно галактическое скопление пронизывало другое, темная материя -- невидимая субстанция, которая подвергается воздействию гравитации, но не излучает света -- опережала обычную материю. Новые наблюдения являются первыми, которые непосредственно исследуют разделение скоростей темной и обычной материй, рассказывают в Калифорнийском технологическом институте (Калтех), передают OstanniPodii.com.

Мегастолкновение

Галактические скопления являются одними из крупнейших структур во Вселенной, склеенных между собой силой гравитации. Лишь 15% массы в таких скоплениях -- это обычная материя, та самая материя, из которой состоят планеты, люди и все, что вы видите вокруг. Подавляющее большинство этой обычной материи -- это горячий газ, а остаток -- звезды и планеты. Остальные 85% массы скоплений -- это темная материя.

Во время столкновения, которое произошло между скоплениями, известными под общим названием MACS J0018.5+1626 (далее MACS J0018.5), отдельные галактики в основном остались невредимыми, поскольку между ними очень много пространства. Но когда огромные запасы газа между галактиками (обычная материя) столкнулись, газ стал турбулентным и перегретым.

Хотя вся материя, включая как обычную, так и темную материю, взаимодействует через гравитацию, обычная материя также взаимодействует через электромагнетизм, который замедляет её во время столкновения. Итак, пока обычная материя увязла, темная материя в каждом скоплении проплывала дальше.

Представьте себе массовое столкновение нескольких самосвалов, перевозящих песок, предлагает Эмили Силич, ведущий автор исследования, опубликованного в The Astrophysical Journal. "Темная материя похожа на песок и летит вперед", - говорит она. Силич -- аспирантка, которая работает с Джеком Сайерсом, профессором физики в Калтехе и главным исследователем опубликованной работы.

Открытие было сделано с использованием данных Субмиллиметровой обсерватории Калтеха (CSO; недавно была перенесена со своей площадки на горе Маунакеа на Гавайских островах и будет перемещена в Чили), обсерватории Кека на горе Маунакеа, рентгеновской обсерватории "Чандра", космического телескопа "Хаббл", космической обсерватории "Гершель" и обсерватории "Планк", а также радиоантенны в Чили "Эксперимент с Атакамским субмиллиметровым телескопом". Некоторые наблюдения были сделаны десятки лет назад, тогда как полный анализ с использованием всех наборов данных состоялся в течение последних нескольких лет.

Выгодная для наблюдений ориентация MACS J0018.5

Такое разделение темной и обычной материи наблюдалось и раньше, наиболее известное в галактическом скоплении Пуля. В том столкновении можно увидеть, что горячий газ явно отстает от темной материи после того, как два скопления галактик прострелили друг друга насквозь. Ситуация, имевшая место в MACS J0018.5, похожа, но ориентация слияния повернута примерно на 90 градусов относительно ориентации скопления Пуля.

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 позицию наблюдения, с которой они впервые определили скорости темной и обычной материи и выяснили, как они отделяются друг от друга во время столкновения скоплений галактик.

"С помощью скопления Пуля мы будто сидим на трибуне, наблюдая за автогонками, и можем делать замечательные снимки машин, движущихся слева направо по прямой", - говорит Сайерс. "В нашем же случае это больше похоже на то, что мы находимся на прямой с радаром, стоим перед автомобилем, когда он приближается к нам, и можем определить его скорость".

Чтобы измерить в скоплении скорость обычной материи, или газа, исследователи использовали метод наблюдения, известный как кинетический эффект Сюняева-Зельдовича (SZ). Сайерс и его коллеги впервые обнаружили кинетический эффект SZ 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 эффект SZ возникает, когда фотоны из ранней Вселенной, космического микроволнового фона (КМФ), рассеиваются на электронах в горячем газе на пути к нам на Земле. Фотоны претерпевают смещение, так называемое доплеровское смещение, из-за движения электронов в газовых облаках вдоль нашей линии зрения. Измеряя изменение яркости КМФ вследствие этого смещения, исследователи могут определить скорость газовых облаков в скоплениях галактик.

"Эффекты Сюняева-Зельдовича были еще очень новым инструментом наблюдений, когда мы с Джеком впервые направили новую камеру на CSO на скопления галактик в 2006 году, и мы не имели никакого представления о таких открытиях", - говорит Сунил Голвала, профессор физики и научный руководитель аспирантов факультета Силич. "Мы с нетерпением ждем множество новых сюрпризов, когда установим на телескоп инструменты следующего поколения в его новом доме в Чили".

До 2019 года исследователи провели эти кинетические измерения SZ в нескольких скоплениях галактик, которые дали им информацию о скорости газа, или обычной материи. Они также использовали обсерваторию Кека, 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 обычная материя, двигался в противоположном направлении от темной материи.

"У нас была полнейшая странность со скоростями в противоположных направлениях, и сначала мы подумали, что это возможно проблема с нашими данными. Даже наши коллеги, которые моделируют скопления галактик, не знали, что происходит", - рассказывает Сайерс. "А потом Эмили подключилась и все распутала".

В рамках своей докторской диссертации Эмили Силич занималась решением загадки MACS J0018.5. Она обратилась к данным рентгеновской обсерватории Чандра, чтобы выявить температуру и расположение газа в скоплениях, а также степень его ударного взаимодействия.

"Эти столкновения скоплений являются самыми энергичными явлениями со времен Большого взрыва", - говорит Силич. "Чандра измеряет экстремальные температуры газа и рассказывает нам о возрасте слияния и о том, как давно столкнулись скопления".

Команда также работала с Ади Зитрином из Университета Бен-Гуриона в Израиле при использовании данных "Хаббла" для составления карты темной материи с помощью метода, известного как гравитационное линзирование.

Кроме того, Джон ЗуХон из Гарвард/Смитсоновского Центра астрофизики помог команде смоделировать столкновения скоплений. Эти симуляции были использованы в сочетании с данными от 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 километров в секунду, что равно примерно 1% от скорости света.

Имея более полную картину происходящего, исследователи смогли выяснить, почему темная материя и обычная материя двигались в противоположных направлениях. Хотя ученые говорят, что это трудно представить, ориентация столкновения в сочетании с тем, что темная материя и обычная 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 зондирования, который показывает, как темная материя ведет себя иначе, чем обычная".

Сайерс, вспоминая, что впервые собрал данные CSO 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 скоплениях".