Темна матерія летить попереду звичайної під час зіткнення мегаскупчень галактик

Астрономи розплутали безладне зіткнення між двома масивними скупченнями галактик, в якому величезні хмари темної матерії відокремилися від так званої звичайної матерії. Обидва скупчення містять тисячі галактик і розташовані на відстані мільярдів світлових років від Землі.

Коли одне галактичне скупчення пронизувало інше, темна матерія -- невидима субстанція, яка зазнає впливу гравітації, але не випромінює світла -- випереджала звичайну матерію. Нові спостереження є першими, які безпосередньо досліджують розділення швидкостей темної та звичайної матерій, розповідають в Каліфорнійському технологічному інституті (Калтех), передають OstanniPodii.com.

Мегазіткнення

Галактичні скупчення є одними з найбільших структур у Всесвіті, склеєних між собою силою гравітації. Лише 15% маси в таких скупченнях -- це звичайна матерія, та сама матерія, з якої складаються планети, люди та все, що ви бачите навколо. Переважна більшість цієї звичайної матерії -- це гарячий газ, а залишок -- зорі та планети. Решта 85% маси скупчень -- це темна матерія.

Під час сутички, яка відбулася між скупченнями, відомими під спільною назвою MACS J0018.5+1626 (далі MACS J0018.5), окремі галактики в основному залишилися неушкодженими, оскільки між ними дуже багато простору. Але коли величезні запаси газу між галактиками (звичайна матерія) зіткнулися, газ став турбулентним і перегрітим.

Хоча вся матерія, включаючи як звичайну, так і темну матерію, взаємодіє через гравітацію, звичайна матерія також взаємодіє через електромагнетизм, який сповільнює її під час зіткнення. Отже, поки звичайна матерія загрузла, темна матерія в кожному скупченні пропливала далі.

Уявіть собі масове зіткнення кількох самоскидів, що перевозять пісок, пропонує Емілі Сіліч, провідна авторка дослідження, опублікованого в The Astrophysical Journal. "Темна матерія схожа на пісок і летить вперед", - каже вона. Сіліч - аспірантка, яка працює з Джеком Сайерсом, професором фізики в Калтех і головним дослідником опублікованої роботи.

Відкриття було зроблено з використанням даних Субміліметрової обсерваторії Калтех (CSO; недавно була перенесена зі свого майданчика на горі Маунакеа на Гавайських островах і буде переміщена до Чилі), обсерваторії Кека на горі Маунакеа, рентгенівської обсерваторії "Чандра", космічного телескопа "Габбл", космічної обсерваторії "Гершель" та обсерваторії "Планк", а також радіоантени в Чилі "Експеримент з Атакамським субміліметровим телескопом". Деякі спостереження були зроблені десятки років тому, тоді як повний аналіз з використанням усіх наборів даних відбувся протягом останніх кількох років.

Вигідна для спостережень орієнтація MACS J0018.5

Таке розділення темної та звичайної матерії спостерігалося й раніше, найвідоміше у галактичному скупченні Куля. У тому зіткненні можна побачити, що гарячий газ явно відстає від темної матерії після того, як два скупчення галактик прострелили одне одного наскрізь. Ситуація, що мала місце в MACS J0018.5, схожа, але орієнтація злиття повернута приблизно на 90 градусів відносно орієнтації скупчення Куля.

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 позицію спостереження, з якої вони вперше визначили швидкості темної й звичайної матерії та з′ясували, як вони відокремлюються одна від одної під час зіткнення скупчень галактик.

"За допомогою скупчення Куля ми ніби сидимо на трибуні, спостерігаючи за автоперегонами, і можемо робити чудові знімки машин, що рухаються зліва направо по прямій", - каже Сайерс. "У нашому випадку це більше схоже на те, що ми знаходимося на прямій з радаром, стоїмо перед автомобілем, коли він наближається до нас, і можемо визначити його швидкість".

Щоб виміряти в скупченні швидкість звичайної матерії, або газу, дослідники використовували метод спостереження, відомий як кінетичний ефект Сюняєва-Зельдовича (SZ). Сайерс і його колеги вперше виявили кінетичний ефект SZ на окремому космічному об′єкті, скупченні галактик MACS J0717, ще у 2013 році, використовуючи дані CSO (перші спостереження ефекту Сюняєва-Зельдовича, зроблені для MACS J0018.5, датуються 2006 роком).

Кінетичний ефект SZ виникає, коли фотони з раннього Всесвіту, космічного мікрохвильового фону (КМФ), розсіюються на електронах у гарячому газі на шляху до нас на Землі. Фотони зазнають зсуву, так званого доплерівського зсуву, через рух електронів у газових хмарах вздовж нашої лінії зору. Вимірюючи зміну яскравості КМФ внаслідок цього зсуву, дослідники можуть визначити швидкість газових хмар у скупченнях галактик.

"Ефекти Сюняєва-Зельдовича були ще дуже новим інструментом спостережень, коли ми з Джеком вперше направили нову камеру на CSO на скупчення галактик у 2006 році, і ми не мали жодного уявлення про такі відкриття", - каже Суніл Голвала, професор фізики й науковий керівник аспірантів факультету Сіліч. "Ми з нетерпінням чекаємо на безліч нових сюрпризів, коли встановимо на телескоп інструменти наступного покоління в його новому домі в Чилі".

До 2019 року дослідники провели ці кінетичні вимірювання SZ в декількох скупченнях галактик, які дали їм інформацію про швидкість газу, або звичайної матерії. Вони також використовували обсерваторію Кека, щоб дізнатися швидкість галактик у скупченні, що дало їм приблизну швидкість темної матерії (оскільки темна матерія та 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 звичайна матерія, рухався в протилежному напрямку від темної матерії.

"У нас була цілковита дивина зі швидкостями в протилежних напрямках, і спочатку ми подумали, що це можливо проблема з нашими даними. Навіть наші колеги, які моделюють скупчення галактик, не знали, що відбувається", - розповідає Сайерс. "А потім Емілі під′єдналася та все розплутала".

У рамках своєї докторської дисертації Емілі Сіліч займалася вирішенням загадки MACS J0018.5. Вона звернулася до даних рентгенівської обсерваторії Чандра, щоб виявити температуру та розташування газу в скупченнях, а також ступінь його ударної взаємодії.

"Ці зіткнення скупчень є найенергійнішими явищами з часів Великого вибуху", - каже Сіліч. "Чандра вимірює екстремальні температури газу й розповідає нам про вік злиття та про те, як давно зіткнулися скупчення".

Команда також працювала з Аді Зітріном з Університету Бен-Гуріона в Ізраїлі при використанні даних "Габбла" для складання карти темної матерії за допомогою методу, відомого як гравітаційне лінзування.

Крім того, Джон ЗуХон з Гарвард/Смітсонівського Центру астрофізики допоміг команді змоделювати зіткнення скупчень. Ці симуляції були використані в поєднанні з даними від 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 кілометрів на секунду, що дорівнює приблизно 1% від швидкості світла.

Маючи більш повну картину того, що відбувалося, дослідники змогли з′ясувати, чому темна матерія та звичайна матерія рухалися в протилежних напрямках. Хоча вчені кажуть, що це важко уявити, орієнтація зіткнення в поєднанні з тим, що темна матерія та й звичайна матерія відокремилися одна від одної, пояснює дивні результати вимірювань швидкості.

У майбутньому вчені 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 зондування, який показує, як темна матерія поводиться інакше, ніж звичайна".

Сайерс, згадуючи, що вперше зібрав дані CSO 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 скупченнях".