Наблюдая за столкновением двух массивных скоплений галактик, астрономы смогли подтвердить, что темная материя и обычная материя могут разделяться при определенных обстоятельствах. По словам ученых, два скопления галактик, известные под общим названием MACS J0018.5+1626, предоставляют важную информацию о сложности материи. Кроме того, впервые это наблюдение позволило напрямую измерить скорость разделения между темной и обычной материей.
Скопления галактик — это огромные космические структуры, удерживаемые вместе гравитацией. 15 % их массы обычно составляет обычная материя (в основном в виде горячего газа, звезд и планет). Остальные 85 % составляет темная материя — невидимая субстанция, на которую влияет гравитация. Когда MACS-кластеры J0018.5+1626 столкнулись, большинство галактик остались целыми из-за значительного пространства, разделяющего их.
Однако запасы горячего газа, расположенные между этими галактиками, столкнулись. В результате обычная материя, которая также взаимодействует электромагнитно, замедлилась по мере нагревания газа. А темная материя, не подверженная электромагнитным эффектам, продолжала двигаться вперед.
Для проведения этого новаторского наблюдения команда использовала данные нескольких обсерваторий, включая субмиллиметровую обсерваторию Калифорнийского технологического института, обсерваторию WM Keck, рентгеновскую обсерваторию НАСА Chandra, космический телескоп Хаббл, космическую обсерваторию Herschel Европейского космического агентства и субмиллиметровый телескоп Атакама в Чили. Результаты анализа опубликованы в журнале Astrophysical Journal.
Возможность измерить скорость темной и обычной материи
Это не первый случай, когда наблюдается такое разделение между темной и обычной материей. Подобное явление было обнаружено в скоплении Пуля, где два скопления галактик пересеклись друг с другом. Во время этого слияния обычная материя отставала от темной. В случае MACS J0018.5+1626 было проведено аналогичное наблюдение, но ориентация слияния была повернута примерно на 90° по отношению к ориентации скопления Пуля.
«Представьте себе масштабное столкновение нескольких самосвалов, перевозящих песок. Темная материя похожа на песок и летит вперед«, — говорит Эмили Силич, астроном из Калтеха и Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. Именно такая ориентация MACS J0018.5+1626 дала исследователям уникальную возможность впервые составить карту скоростей темной и обычной материи.
«Когда мы наблюдали за скоплением Пуля, это было похоже на то, как если бы мы сидели на трибуне и наблюдали за автомобильными гонками«, — объясняет Джек Сейерс. «Здесь это больше похоже на то, как если бы мы стояли на прямой линии с радарным пистолетом перед встречным автомобилем и могли определить его скорость«, — добавил он.
Чтобы измерить скорость газа, присутствующего в скоплении, Сейерс и его коллеги использовали метод наблюдения, известный как кинетический эффект Суняева-Зельдовича (СЗ). Когда фотоны из космического микроволнового фона (CMB) рассеивают электроны в горячем газе, возникает эффект СЗ, вызывающий доплеровский сдвиг. Измеряя это изменение светимости, ученые смогли определить скорость газовых облаков в скоплениях галактик.
«Эффект Суняева-Зельдовича был еще совсем недавним инструментом наблюдений, когда мы впервые включили новую камеру CSO, нацеленную на скопления галактик, в 2006 году«, — говорит Сунил Голвала. «Мы ожидаем множества новых сюрпризов, когда установим на телескопе приборы нового поколения в его новом доме в Чили«, — добавил он.
Команда впервые обнаружила кинетический эффект СЗ 11 лет назад в скоплении галактик под названием MACS J0717. В 2019 году кинетический эффект СЗ был вновь использован для измерения скорости газа в нескольких галактических скоплениях. Исследователи также использовали данные обсерватории Кек для определения скорости галактик, указывая при этом на скорость темной материи.
Однако на этом этапе поиска внимание команды привлекла аномалия в MACS J0018.5+1626: горячий газ двигался в противоположном направлении по отношению к темной материи. «У нас была совершенно странная ситуация со скоростями в противоположных направлениях«, — пояснил Сейерс. Для изучения этого явления ученые обратились к данным рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра».
Они смогли проанализировать температуру, расположение газа в скоплениях и уровень его ударной волны. Исследователи обнаружили, что перед слиянием скопления MACS J0018.5+1626 двигались навстречу друг другу со скоростью 3 000 километров в секунду. «Это исследование является отправной точкой для более детального изучения природы темной материи«, — заключает Силич.
ВИДЕО: Моделирование столкновения двух массивных скоплений галактик. По мере столкновения темная материя (синим цветом) движется впереди облаков горячего газа, состоящих из обычной материи (оранжевым цветом).
