Столкновение галактических скоплений отделило темную материю от обычной

Астрономы изучили столкновение между двумя массивными скоплениями галактик, в котором огромные облака темной материи отделились от так называемой обычной (барионной) материи. Оба скопления содержат по тысяче галактик и находятся на расстоянии миллиардов световых лет от Земли. По мере того как они проносились друг через друга, темная материя — невидимая субстанция, которая ощущает силу гравитации, но не излучает свет, — опережала нормальную материю. Новые наблюдения — первое прямое исследование разделения скоростей темной и нормальной материи.

Скопления галактик — одни из крупнейших структур во Вселенной, соединенные вместе силой гравитации. Только 15 процентов массы таких скоплений составляет обычная материя — та самая, из которой состоят планеты, люди и все, что вы видите вокруг себя. Из этой обычной материи подавляющее большинство — горячий газ, а остальное — звезды и планеты. Оставшиеся 85 процентов массы скопления — это темная материя.

Во время столкновения между скоплениями, известными под общим названием MACS J0018.5+1626, отдельные галактики практически не пострадали, поскольку между ними очень много пространства. Но когда огромные запасы газа между галактиками (нормальная материя) столкнулись, газ стал турбулентным и перегретым.

В то время как вся материя, включая нормальную и темную, взаимодействует посредством гравитации, нормальная материя также взаимодействует посредством электромагнетизма, который замедляет ее во время столкновения. Поэтому, как оказалось, пока обычная материя теряла скорость, скопления темной материи внутри каждого скопления проплывали мимо.

Это открытие было сделано с помощью данных субмиллиметровой обсерватории Калтеха (Caltech Submillimeter Observatory — CSO), обсерватории W.M. Keck на Гавайских островах, рентгеновской обсерватории «Чандра», космического телескопа «Хаббл», космической обсерватории ЕКА «Гершель» и обсерватории «Планк», а также 10 метровой антенны Atacama Submillimeter Telescope Experiment в Чили. Некоторые из наблюдений были сделаны несколько десятилетий назад, а полный анализ всех наборов данных был проведен за последние пару лет.

Подобное разделение темной и нормальной материи наблюдалось и раньше, наиболее известное — в скоплении галактик Пуля. В том столкновении видно, что горячий газ явно отстает от темной материи после того, как два скопления галактик прошли друг друга насквозь. Ситуация, произошедшая в MACS J0018.5+1626 (далее MACS J0018.5), похожа, но ориентация слияния повернута примерно на 90 градусов по отношению к ориентации скопления Пуля.

Другими словами, одно из массивных скоплений в MACS J0018.5 летит почти прямо к Земле, в то время как другое устремляется прочь. Такая ориентация дала исследователям уникальную точку обзора, с которой впервые можно определить скорость темной и обычной материи и выяснить, как они отделяются друг от друга во время столкновения галактических скоплений.

«Со скоплением «Пуля» мы словно сидим на трибуне и наблюдаем за автогонками, получая прекрасные снимки машин, движущихся слева направо по прямой», — говорит Джек Сейерс, профессором физики и главный автор исследования. «В нашем случае это больше похоже на то, как будто мы находимся на трассе с радарной установкой, стоим перед автомобилем, который едет на нас, и можем определить его скорость».

Чтобы измерить скорость обычной материи, или газа, в скоплении, исследователи использовали метод наблюдений, известный как кинетический эффект Суняева-Зельдовича (SZ). Джек Сейерс и его коллеги впервые обнаружили кинетический SZ-эффект на отдельном космическом объекте — скоплении галактик MACS J0717 — в 2013 году, используя данные CSO (первые наблюдения SZ-эффекта на MACS J0018.5 были сделаны в 2006 году).

Кинетический SZ-эффект возникает, когда фотоны из ранней Вселенной, космического микроволнового фона (CMB), рассеиваются на электронах в горячем газе по пути к нам на Землю. Фотоны претерпевают сдвиг, называемый доплеровским, из-за движения электронов в газовых облаках вдоль нашей линии наблюдения. Измеряя изменение яркости CMB из-за этого сдвига, исследователи могут определить скорость газовых облаков внутри скоплений галактик.

К 2019 году исследователи провели измерения кинетического SZ в нескольких скоплениях галактик, что позволило им определить скорость газа, или обычной материи. Кроме того, с помощью Keck они узнали скорость галактик в скоплении, что позволило им косвенно определить скорость темной материи (поскольку темная материя и галактики ведут себя одинаково во время столкновения).

Но на этом этапе исследования команда имела ограниченное представление об ориентации скоплений. Они знали только, что в одном из них, MACS J0018.5, наблюдаются признаки чего-то странного — казалось, что горячий газ, или нормальная материя, движется в направлении, противоположном темной материи.

«Сначала мы подумали, что это проблема с нашими данными. Даже наши коллеги, занимающиеся моделированием скоплений галактик, не понимали, что происходит», — говорит Джек Сейерс.

Но потом исследователи обратилась к данным рентгеновской обсерватории «Чандра», чтобы определить температуру и расположение газа в скоплениях, а также степень его ударного воздействия. «Столкновения этих скоплений — самые энергичные явления со времен Большого взрыва. Чандра измеряет экстремальные температуры газа и говорит нам о возрасте слияния и о том, когда скопления столкнулись». Кроме того, астрономы использовать данные «Хаббла» для составления карты темной материи с помощью метода, известного как гравитационное линзирование.

Далее исследователи смоделировали процесс разрушения скоплений. Эти симуляции использовались в сочетании с данными различных телескопов, чтобы в итоге определить геометрию и стадию эволюции столкновения. Ученые обнаружили, что до столкновения скопления двигались навстречу друг другу со скоростью около 3000 километров в секунду, что составляет примерно один процент от скорости света.

Получив более полную картину происходящего, исследователи смогли выяснить, почему темная и обычная материя движутся в противоположных направлениях. Хотя, по словам ученых, это трудно представить, ориентация столкновения в сочетании с тем фактом, что темная и нормальная материя отделились друг от друга, объясняет странные измерения скорости.

В будущем ученые надеются, что новые исследования, подобные этому, приведут к новым разгадкам таинственной природы темной материи. «Это исследование является отправной точкой для более детального изучения природы темной материи. У нас есть новый тип прямого зонда, который показывает, что темная материя ведет себя иначе, чем обычная».