Badania te dają unikalny wgląd w to, jak przebiega rozdzielenie ciemnej materii od materii barionowej.
Astronomowie rozwikłali skomplikowaną kolizję między dwiema masywnymi gromadami galaktyk, w której rozległe obłoki ciemnej materii oddzieliły się od tak zwanej zwykłej materii. Każda z dwóch gromad zawiera tysiące galaktyk i znajduje się miliardy lat świetlnych od Ziemi. Gdy galaktyki przelatywały przez siebie, ciemna materia – niewidzialna substancja, która odczuwa siłę grawitacji, ale nie emituje światła – wyprzedzała normalną materię. Nowe obserwacje są pierwszymi, które bezpośrednio badają oddzielenie prędkości ciemnej materii od materii barionowej.
Gromady galaktyk to jedne z największych struktur we Wszechświecie, sklejone ze sobą siłą grawitacji. Tylko 15% masy w takich gromadach stanowi materia barionowa, ta sama materia, która tworzy planety, ludzi i wszystko, co widzimy wokół nas. Zdecydowana większość tej normalnej materii to gorący gaz, podczas gdy reszta to gwiazdy i planety. Pozostałe 85% masy gromady to ciemna materia.
Podczas walki, która miała miejsce między gromadami, znanymi jako MACS J0018.5+1626, poszczególne galaktyki w dużej mierze wyszły bez szwanku, ponieważ istnieje między nimi tak duża przestrzeń. Kiedy jednak doszło do zderzenia ogromnych ilości gazu pomiędzy galaktykami (materii barionowej), gaz stał się turbulentny i przegrzany. Podczas gdy cała materia, w tym zarówno barionowa, jak i ciemna materia, oddziałuje ze sobą poprzez grawitację, materia barionowa oddziałuje również poprzez elektromagnetyzm, który spowalnia ją podczas zderzenia. Tak więc, podczas gdy materia barionowa ugrzęzła, skupiska ciemnej materii w każdej gromadzie przepłynęły dalej.
Wyobraź sobie kolizję między wieloma wywrotkami przewożącymi piasek, sugeruje Emily Silich, główna autorka nowego badania opisującego wyniki w The Astrophysical Journal. Ciemna materia jest jak piasek i leci do przodu. Silich jest doktorantką pracującą z Jackiem Sayersem, profesorem fizyki w Caltech i głównym naukowcem badań.
Takie rozdzielenie ciemnej i barionowej materii było już wcześniej obserwowane, najbardziej znane w Gromadzie Pocisk. W tamtym zderzeniu gorący gaz był wyraźnie opóźniony w stosunku do ciemnej materii po tym, jak dwie gromady galaktyk przeniknęły się nawzajem. Sytuacja, która miała miejsce w gromadzie MACS J0018.5+1626 (zwanej dalej MACS J0018.5) jest podobna, ale orientacja połączenia jest obrócona o około 90 stopni w stosunku do Gromady Pocisk. Innymi słowy, jedna z masywnych gromad w gromadzie MACS J0018.5 leci niemal prosto w kierunku Ziemi, podczas gdy druga się od niej oddala. Ta orientacja dała badaczom unikalny punkt obserwacyjny, z którego po raz pierwszy mogli określić prędkość zarówno ciemnej materii, jak i materii barionowej oraz wyjaśnić, w jaki sposób oddzielają się one od siebie podczas zderzenia gromad galaktyk.
Aby zmierzyć prędkość materii barionowej lub gazu w gromadzie, naukowcy wykorzystali metodę obserwacyjną znaną jako kinetyczny efekt Siuniajewa-Zeldowicza (SZ). Sayers i jego koledzy dokonali pierwszego obserwacyjnego wykrycia kinetycznego efektu SZ na pojedynczym obiekcie kosmicznym, gromadzie o nazwie MACS J0717, w 2013 roku, wykorzystując dane z Caltech Submillimeter Observatory (CSO) (pierwsze obserwacje efektu SZ wykonane dla MASC J0018.5 pochodzą z 2006 roku).
Kinetyczny efekt SZ występuje, gdy fotony z wczesnego Wszechświata, mikrofalowego promieniowania tła (CMB), rozpraszają elektrony w gorącym gazie w drodze do nas na Ziemię. Fotony ulegają przesunięciu, zwanemu przesunięciem Dopplera, ze względu na ruch elektronów w chmurach gazu wzdłuż naszej linii widzenia. Mierząc zmianę jasności CMB spowodowaną tym przesunięciem, naukowcy mogą określić prędkość obłoków gazu w gromadzie galaktyk.
Do 2019 roku naukowcy dokonali pomiarów kinetycznego efektu SZ w kilku gromadach galaktyk, co pozwoliło im określić prędkość gazu, czyli normalnej materii. Wykorzystali również Obserwatorium Kecka do poznania prędkości galaktyk w gromadzie, co pozwoliło im pośrednio określić prędkość ciemnej materii (ponieważ ciemna materia i galaktyki zachowują się podobnie podczas zderzenia). Jednak na tym etapie badań zespół miał ograniczone zrozumienie orientacji gromad. Wiedzieli tylko, że jedna z nich, MASC J0018.5, wykazywała oznaki czegoś dziwnego – gorący gaz, czyli materia barionowa, poruszał się w kierunku przeciwnym do ciemnej materii.
W ramach swojej pracy doktorskiej Silich zajęła się zagadką MACS J0018.5. Wykorzystała dane z obserwatorium rentgenowskiego Chandra, aby określić temperaturę i lokalizację gazu w gromadach, a także stopień, w jakim gaz był szokowany. Te zderzenia gromad są najbardziej energetycznymi zjawiskami od czasu Wielkiego Wybuchu – powiedziała Silich. Chandra mierzy ekstremalne temperatury gazu i mówi nam o wieku połączenia i o tym, jak niedawno gromady się zderzyły. Zespół współpracował również z Adi Zitrinem z Uniwersytetu Ben-Guriona w Neveg w Izraelu, aby wykorzystać dane Hubble’a do mapowania ciemnej materii za pomocą metody znanej jako soczewkowanie grawitacyjne.
Dodatkowo John ZuHone z Centrum Astrofizyki na Harvardzie i Smithsonian pomógł zespołowi przeprowadzić symulacje zderzeń gromad. Symulacje te zostały wykorzystane w połączeniu z danymi z różnych teleskopów, aby ostatecznie określić geometrię i etap ewolucji spotkania gromad. Naukowcy odkryli, że przed zderzeniem gromady poruszały się względem siebie z prędkością około 3000 km/s, co odpowiada mniej więcej jednemu procentowi prędkości światła. Mając pełniejszy obraz tego, co się dzieje, naukowcy byli w stanie dowiedzieć się, dlaczego ciemna materia i materia barionowa wydają się podróżować w przeciwnych kierunkach. Chociaż naukowcy twierdzą, że trudno to zwizualizować, orientacja zderzenia w połączeniu z faktem, że ciemna materia i normalna materia oddzieliły się od siebie, wyjaśnia dziwne pomiary prędkości.
W przyszłości naukowcy mają nadzieję, że więcej badań takich jak te doprowadzi do nowych wskazówek na temat tajemniczej natury ciemnej materii. To badanie jest punktem wyjścia do bardziej szczegółowych badań nad naturą ciemnej materii – powiedziała Silich. Mamy nowy rodzaj bezpośredniej sondy, która pokazuje, jak ciemna materia zachowuje się inaczej niż materia barionowa.
Sayers, który wspomina pierwsze zbieranie danych CSO na temat tego obiektu prawie 20 lat temu, powiedział: Zajęło nam dużo czasu, aby połączyć wszystkie elementy układanki, ale teraz w końcu wiemy, co się dzieje. Mamy nadzieję, że doprowadzi to do zupełnie nowego sposobu badania ciemnej materii w gromadach.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Caltech