Zaskakujące prędkości odkryte podczas zderzenia monumentalnej gromady galaktyk

Koncepcja artysty pokazuje, co się stało, gdy zderzyły się dwie masywne gromady galaktyk, znane łącznie jako MACS J0018.5: ciemna materia w gromadach galaktyk (kolor niebieski) przepłynęła przed powiązanymi z nimi obłokami gorącego gazu, czyli normalnej materii (kolor pomarańczowy). Zarówno ciemna materia, jak i normalna materia odczuwają przyciąganie grawitacyjne, ale tylko normalna materia doświadcza dodatkowych efektów, takich jak wstrząsy i turbulencje, które spowalniają ją podczas zderzeń. Źródło: Obserwatorium WM Kecka/Adam Makarenko

Astronomowie zaobserwowali wyjątkowe zderzenie dwóch gromad galaktyk, ujawniając, jak ciemna materia oddziela się od normalnej materii podczas takich spotkań.

Wykorzystując połączenie zaawansowanych teleskopów i technik obserwacyjnych, w tym efektu SZ, badacze śledzili oddzielone prędkości ciemnej i normalnej materii. Badanie pogłębia naszą wiedzę na temat tajemniczej natury ciemnej materii i przygotowuje grunt pod przyszłe badania.

Oddzielenie ciemnej materii w gromadach galaktyk

Astronomowie rozwikłali zagmatwane zderzenie dwóch masywnych gromad galaktyk, w którym ogromne obłoki ciemnej materii w gromadach oddzieliły się od tak zwanej normalnej materii. Obie gromady zawierają tysiące galaktyk i znajdują się miliardy lat świetlnych od Ziemi. Kiedy się przenikały, ciemna materia – niewidzialna substancja, która odczuwa siłę grawitacji, ale nie emituje światła – wyprzedziła normalną materię. Nowe obserwacje są pierwszymi, które bezpośrednio badają oddzielenie prędkości ciemnej i normalnej materii.

Sklejone siłą grawitacji gromady galaktyk należą do największych struktur we wszechświecie. Tylko 15 procent masy takich gromad to zwykła materia, ta sama materia, z której składają się planety, ludzie i wszystko, co widzisz wokół siebie. Z tej normalnej materii zdecydowaną większość stanowi gorący gaz, resztę zaś stanowią gwiazdy i planety. Pozostałe 85 procent masy gromady to ciemna materia.

Animacja tego artysty przedstawia zderzenie dwóch masywnych gromad galaktyk. W miarę postępu zderzenia ciemna materia w gromadach galaktyk (kolor niebieski) przesuwa się przed powiązanymi z nią obłokami gorącego gazu lub normalnej materii (kolor pomarańczowy). Animacja: Obserwatorium WM Kecka/Adam Makarenko

Dynamika zderzeń i interakcja materii

Podczas starć, które miały miejsce pomiędzy gromadami, znanych jako MACS J0018.5+1626, poszczególne galaktyki w dużej mierze wyszły bez szwanku, ponieważ pomiędzy nimi istnieje tak duża przestrzeń. Kiedy jednak zderzyły się ogromne zapasy gazu pomiędzy galaktykami (normalna materia), gaz stał się turbulentny i przegrzany. Podczas gdy cała materia, w tym zarówno zwykła materia, jak i ciemna materia, oddziałuje poprzez grawitację, normalna materia oddziałuje również poprzez elektromagnetyzm, który spowalnia ją podczas zderzenia. Tak więc, podczas gdy normalna materia ugrzęzła, kałuże ciemnej materii w każdej gromadzie przepłynęły dalej.

Emilia Silich. Źródło: Caltech

Pomyśl o masowej kolizji wielu wywrotek przewożących piasek, sugeruje Emily Silich, główna autorka nowego badania opisującego ustalenia z The Dziennik astrofizyczny. „Ciemna materia jest jak piasek i leci przed siebie”. Silich jest absolwentem współpracującym z Jackiem Sayersem, profesorem fizyki w Caltech i głównym badaczem badania.

Metodologia badań i spostrzeżenia obserwacyjne

Odkrycia dokonano na podstawie danych z Obserwatorium Submilimetrowego Caltech (które zostało niedawno usunięte ze swojego miejsca na Maunakea na Hawajach i zostanie przeniesione do Chile), Obserwatorium WM Keck na Maunakea, NASAObserwatorium Rentgenowskie Chandra należące do NASA Kosmiczny teleskop Hubble, Europejska Agencja Kosmicznanieczynne obecnie Obserwatorium Kosmiczne Herschela i Obserwatorium Plancka (którego stowarzyszone centra naukowe NASA mieściły się w IPAC w Caltech) oraz eksperyment z teleskopem submilimetrowym Atacama w Chile. Część obserwacji przeprowadzono kilkadziesiąt lat temu, natomiast pełna analiza z wykorzystaniem wszystkich zbiorów danych miała miejsce w ciągu ostatnich kilku lat.

Analiza porównawcza z klastrem pocisków

Takie oddzielenie ciemnej i normalnej materii obserwowano już wcześniej, najsłynniej w tzw Gromada Pocisków. Podczas tego zderzenia można wyraźnie zobaczyć, że gorący gaz pozostaje w tyle za ciemną materią po tym, jak dwie gromady galaktyk przeleciały przez siebie. Sytuacja, która miała miejsce w MACS J0018.5+1626 (określanym później jako MACS J0018.5) jest podobna, ale orientacja połączenia jest obrócona, mniej więcej o 90 stopni w stosunku do Gromady Pocisków. Innymi słowy, jedna z masywnych gromad w MACS J0018.5 leci niemal prosto w stronę Ziemi, podczas gdy druga oddala się. Taka orientacja zapewniła badaczom wyjątkowy punkt obserwacyjny, z którego po raz pierwszy można wyznaczyć prędkość zarówno ciemnej, jak i normalnej materii oraz wyjaśnić, w jaki sposób oddzielają się one od siebie podczas zderzenia gromad galaktyk.

Jack Sayers wyjaśniający geometrię zderzenia gromad galaktyk. Źródło: Caltech

„Dzięki Bullet Cluster mamy wrażenie, jakbyśmy siedzieli na trybunie i oglądali wyścig samochodowy i mogli uchwycić piękne zdjęcia samochodów poruszających się od razu od lewej do prawej” – mówi Sayers. „W naszym przypadku to bardziej tak, jakbyśmy od razu jechali z radarem, stojąc przed nadjeżdżającym samochodem i potrafili określić jego prędkość”.

Pomiar prędkości materii za pomocą efektu SZ

Aby zmierzyć prędkość normalnej materii, czyli gazu, w gromadzie, badacze wykorzystali metodę obserwacyjną znaną jako kinetyczny efekt Sunyaeva-Zeldovicha (SZ). Sayers i jego współpracownicy dokonali pierwsze obserwacyjne wykrycie efektu kinetycznego SZ na indywidualnym obiekcie kosmicznym, gromadzie galaktyk o nazwie MACS J0717, już w 2013 roku, z wykorzystaniem danych z CSO (pierwsze obserwacje efektu SZ wykonane przez MACS J0018.5 pochodzą z 2006 roku).

Efekt kinetyczny SZ występuje, gdy fotony z wczesnego Wszechświata, kosmicznego mikrofalowego tła (CMB), rozpraszają elektrony w gorącym gazie w drodze do nas, na Ziemi. Fotony ulegają przesunięciu, zwanemu a przesunięcie Dopplera, ze względu na ruchy elektronów w obłokach gazu wzdłuż naszej linii wzroku. Mierząc zmianę jasności KMPT wynikającą z tego przesunięcia, badacze mogą określić prędkość obłoków gazu w gromadach galaktyk.

Ten fragment wiersza, napisany przez Emily Silich, absolwentkę astronomii w Caltech, został zainspirowany jej badaniami zderzeń pomiędzy masywnymi gromadami galaktyk. Tak naprawdę pisała ją przez wiele godzin, podczas gdy jej analiza symulacji zderzeń gromad galaktyk przebiegała na setkach rdzeni komputerów.

t = zero:
zainicjowane cząstki,
gaz zdefiniowany jako powietrze.

Przeciwne dipole
przemierzając jak siny oddech
bez kolizji.

barwiona magmą,
oddzielenie się od siebie w
burzliwe zwroty akcji

z teselacji.
Kwestia pamięci
nieistotne dla

epoki określone przez
jakiś czas w innym;
Upływ równoległy.

Cały wiersz ukazał się w zbiorze pt Antologia recenzji poezji Altadena.

Rola zaawansowanych obserwatoriów i perspektywy na przyszłość

„Efekty Sunyaeva-Zeldovicha były wciąż bardzo nowym narzędziem obserwacyjnym, kiedy Jack i ja po raz pierwszy skierowaliśmy nową kamerę w CSO w 2006 roku na gromady galaktyk i nie mieliśmy pojęcia, że ​​dojdzie do takich odkryć” – mówi Sunil Golwala, profesor Instytutu fizyki i promotor wydziału Silicha. „Nie możemy się doczekać mnóstwa nowych niespodzianek, kiedy umieścimy instrumenty nowej generacji na teleskopie w jego nowym domu w Chile”.

Do 2019 roku badacze dokonali pomiarów kinetycznych SZ w kilku gromadach galaktyk, co pozwoliło im określić prędkość gazu, czyli normalnej materii. Wykorzystali także Kecka do poznania prędkości galaktyk w gromadzie, co w przybliżeniu dało im informację o prędkości ciemnej materii (ponieważ ciemna materia i galaktyki zachowują się podobnie podczas zderzenia). Jednak na tym etapie badań zespół miał ograniczoną wiedzę na temat orientacji klastrów. Wiedzieli tylko, że jeden z nich, MACS J0018.5, wykazywał oznaki czegoś dziwnego – gorący gaz, czyli normalna materia, przemieszczał się w kierunku przeciwnym do ciemnej materii.

Wyzwania i przełomy w zrozumieniu ciemnej materii

„Mieliśmy zupełnie dziwne zjawisko z prędkościami w przeciwnych kierunkach i początkowo myśleliśmy, że może to być problem z naszymi danymi. Nawet nasi koledzy symulujący gromady galaktyk nie wiedzieli, co się dzieje” – mówi Sayers. „A potem wmieszała się Emily i wszystko rozwikłała”.

W części swojej pracy doktorskiej Silich zajęła się zagadką MACS J0018.5. Sięgnęła do danych z Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra, aby ujawnić temperaturę i położenie gazu w gromadach, a także stopień szoku gazu. „Te zderzenia gromad są najbardziej energetycznym zjawiskiem od czasu Wielki Wybuch– mówi Silich. „Chandra mierzy ekstremalne temperatury gazu i mówi nam o wieku fuzji oraz o tym, jak niedawno doszło do zderzenia gromad”. Zespół współpracował także z Adi Zitrinem z Uniwersytetu Ben Guriona w Negewie w Izraelu, aby wykorzystać dane z Hubble’a do mapowania ciemnej materii przy użyciu metody zwanej soczewkowaniem grawitacyjnym.

Dodatkowo John ZuHone z Centrum Astrofizyki na Uniwersytecie Harvarda i Smithsonian pomógł zespołowi symulować zderzenie gromad. Symulacje te wykorzystano w połączeniu z danymi z różnych teleskopów, aby ostatecznie określić geometrię i etap ewolucyjny spotkania gromad. Naukowcy odkryli, że przed zderzeniem gromady zbliżały się do siebie z prędkością około 3000 kilometrów na sekundę, co odpowiada w przybliżeniu jednemu procentowi prędkości światła.

Mając pełniejszy obraz tego, co się dzieje, badacze byli w stanie dowiedzieć się, dlaczego ciemna materia i normalna materia wydają się podróżować w przeciwnych kierunkach. Chociaż naukowcy twierdzą, że trudno to sobie wyobrazić, orientacja zderzenia w połączeniu z faktem, że ciemna materia i normalna materia oddzieliły się od siebie, wyjaśnia dziwaczne pomiary prędkości.

Wnioski i przyszłe kierunki badań

Naukowcy mają nadzieję, że w przyszłości więcej badań takich jak to doprowadzi do nowych wskazówek na temat tajemniczej natury ciemnej materii. „To badanie stanowi punkt wyjścia do bardziej szczegółowych badań nad naturą ciemnej materii” – mówi Silich. „Mamy nowy typ bezpośredniej sondy, która pokazuje, jak ciemna materia zachowuje się inaczej niż normalna materia”.

Sayers, który pamięta, jak prawie 20 lat temu GUS zebrał dane na temat tego obiektu, mówi: „Ułożenie wszystkich puzzli w całość zajęło nam dużo czasu, ale teraz w końcu wiemy, co się dzieje. Mamy nadzieję, że doprowadzi to do zupełnie nowego sposobu badania ciemnej materii w gromadach.”

Odniesienie: „ICM-SHOX. I. Przegląd metodologii i odkrycie oddzielenia prędkości gazu od ciemnej materii w fuzji MACS J0018.5+1626” Emily M. Silich, Elena Bellomi, Jack Sayers, John ZuHone, Urmila Chadayammuri, Sunil Golwala, David Hughes, Alfredo Montaña , Tony Mroczkowski, Daisuke Nagai, David Sánchez-Argüelles, SA Stanford, Grant Wilson, Michael Zemcov i Adi Zitrin, 12 czerwca 2024 r., Dziennik astrofizyczny.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad3fb5

Badanie zostało sfinansowane przez National Science Foundation, stypendium Wallace LW Sargent Graduate Fellowship w Caltech, Chandra X-ray Center, amerykańsko-izraelską dwunarodową fundację naukową, Ministerstwo Nauki i Technologii w Izraelu, AtLAST (Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope) oraz Consejo Nacional de Humanidades Ciencias y Technologías.