Galaktische Cluster gehören zu den größten Strukturen, die wir im Universum finden können. Ihre Bildung und Erhaltung werden durch die Schwerkraft ermöglicht. Interessanterweise machen gewöhnliche Materie, wie sie Planeten und alle bekannten Himmelskörper bildet, nur 15 Prozent der Masse dieser Cluster aus. Innerhalb dieser gewöhnlichen Materie besteht der größte Anteil aus heißem Gas, während der Rest zu Sternen und Planeten gehört. Die restlichen 85 Prozent der Masse gehören der schwer fassbaren dunklen Materie, deren Natur für Wissenschaftler weltweit noch immer ein Rätsel darstellt.
Während der spektakulären Kollision zwischen Clustern, bekannt als MACS J0018.5+1626, blieben die Galaxien selbst aufgrund der großen Leerräume zwischen ihnen weitgehend unberührt. Die enormen Mengen an Gas, die sich zwischen den Galaxien befanden, kollidierten jedoch, was zu turbulenten und überhitzten Gasen führte. Während alle Materiearten, einschließlich gewöhnlicher und dunkler, gravitativ miteinander interagieren, kommuniziert die gewöhnliche Materie zusätzlich über den Elektromagnetismus, was sie bei solchen Kollisionen verlangsamt. So kam es, dass sich die gewöhnliche Materie verlangsamte, während die Massen der dunklen Materie ungehindert weiterzogen.
Vergleich mit Lastwagen und Sand
Um dieses Phänomen besser zu verstehen, vergleicht Emily Silich, die Hauptautorin einer kürzlich im The Astrophysical Journal veröffentlichten Studie, die Situation mit einer massiven Kollision von mit Sand beladenen Lastwagen. "Dunkle Materie verhält sich wie Sand und setzt ihren Weg fort", erklärt Silich, die eine Postgraduiertenstudentin unter der Leitung von Jack Sayers, einem Forschungsprofessor für Physik am Caltech, ist.
Diese atemberaubende Entdeckung basiert auf Daten, die vom Caltech Submillimeter Observatory (vor kurzem von Hawaii nach Chile verlegt), dem W.M. Keck Observatory, der NASA Chandra Röntgenstrahlen-Observatorium, dem Hubble-Weltraumteleskop und der Europäischen Weltraumobservatorien Herschel und Planck gesammelt wurden. Es ist wichtig zu beachten, dass einige dieser Beobachtungen Jahrzehnte zuvor gemacht wurden, während die endgültigen Analysen in den letzten Jahren durchgeführt wurden.
Frühere Beobachtungen der Materietrennung
Das Phänomen der Trennung von dunkler und gewöhnlicher Materie ist nicht neu und wurde zuvor in einem Cluster namens Bullet Cluster aufgezeichnet. In diesem Fall bleibt heißes Gas hinter der dunklen Materie zurück, nachdem galaktische Cluster einander durchquert haben. Im MACS J0018.5+1626 Cluster (weiter MACS J0018.5), ist die Situation ähnlich, jedoch ist die Orientierung der Kollision um etwa 90 Grad im Vergleich zum Bullet Cluster gedreht. Das bedeutet, dass ein massiver Cluster in MACS J0018.5 auf die Erde zurast, während sich der andere entfernt. Diese Orientierung gab den Forschern eine einzigartige Gelegenheit, zum ersten Mal die Geschwindigkeiten von dunkler und gewöhnlicher Materie zu kartieren und zu klären, wie ihre Trennung während einer Kollision erfolgt.
"Beim Bullet Cluster ist es, als würden wir auf der Tribüne sitzen und ein Autorennen beobachten, während wir sie aufzeichnen, während sie sich von links nach rechts bewegen", erklärt Sayers. "In unserem Fall ist es eher so, als würden wir auf einer Rennstrecke mit Radar stehen und die Geschwindigkeit der Autos messen, die auf uns zukommen."
Fortgeschrittene Techniken zur Messung der Gasgeschwindigkeit
Um die Geschwindigkeit der gewöhnlichen Materie oder des Gases im Cluster genau zu messen, verließen sich die Forscher auf eine Technik, die als kinetischer Sunyaev-Zel'dovich (SZ) Effekt bekannt ist. Bereits 2013 zeichneten Sayers und sein Team den SZ-Effekt erstmals an einem einzelnen kosmischen Objekt, dem galaktischen Cluster MACS J0717, auf, indem sie Daten des CSO verwendeten. Die ersten Beobachtungen des SZ-Effekts für MACS J0018.5 stammen aus dem Jahr 2006.
Der kinetische SZ-Effekt tritt auf, wenn Photonen aus dem frühen Universum, oder kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMB), Elektronen in heißem Gas auf ihrem Weg zur Erde streuen. Die Photonen erfahren dann eine Verschiebung, bekannt als Doppler-Verschiebung, verursacht durch die Bewegung der Elektronen in den Gaswolken entlang unserer Sichtlinie. Durch das Messen von Helligkeitsänderungen der CMB, die durch diese Verschiebung verursacht werden, konnten die Forscher die Geschwindigkeit der Gaswolken innerhalb galaktischer Cluster bestimmen.
"Die Sunyaev-Zeldovich Effekte waren noch immer ein neues Werkzeug für die Beobachtung, als Jack und ich 2006 die neue Kamera des CSO auf galaktische Cluster richteten, ohne zu wissen, welche Entdeckungen folgen würden", erinnert sich Sunil Golwala, ein Physikprofessor und Mentor von Emily Silich für ihr Doktorat. "Wir freuen uns auf neue Entdeckungen, wenn wir Instrumente der nächsten Generation auf dem Teleskop an seinem neuen Standort in Chile installieren."
Datenanalyse und Interpretation
Bis 2019 hatte das Forscherteam SZ-Messungen in mehreren galaktischen Clustern durchgeführt, was es ihnen ermöglichte, die Geschwindigkeit des Gases oder der gewöhnlichen Materie zu berechnen. Mithilfe des Keck Observatoriums bestimmten sie auch die Geschwindigkeit der Galaxien innerhalb des Clusters, wodurch sie indirekt die Geschwindigkeit der dunklen Materie bestimmen konnten, da sich dunkle Materie und Galaxien bei Kollisionen ähnlich verhalten. Allerdings hatte das Team in dieser Phase der Forschung ein begrenztes Verständnis der Orientierung des Clusters. Sie wussten, dass MACS J0018.5 Anzeichen ungewöhnlicher Bewegungen zeigte, wobei sich heißes Gas in die entgegengesetzte Richtung zur dunklen Materie bewegte.
"Wir hatten eine vollständige Anomalie mit Geschwindigkeiten in entgegengesetzten Richtungen, und zunächst dachten wir, dass es ein Problem mit unseren Daten gab. Selbst Kollegen, die galaktische Cluster simulieren, wussten nicht, was vor sich ging", sagt Sayers. "Und dann kam Emily hinzu und entwirrte alles."
Als Teil ihres Doktorats übernahm Emily Silich die Herausforderung, das Rätsel von MACS J0018.5 zu lösen. Sie stützte sich auf Daten der Chandra-Röntgenstrahlen-Observatorium, entdeckte die Temperaturen und Standorte des Gases innerhalb des Clusters und das Ausmaß, in dem das Gas schockiert war. "Diese Cluster-Kollisionen sind die energiereichsten Phänomene nach dem Urknall", erklärt Silich. "Chandra misst die extremen Temperaturen des Gases und sagt uns etwas über das Alter der Kollision und wie kürzlich die Cluster kollidiert sind." Das Team arbeitete auch mit Adi Zitrin von der Ben-Gurion-Universität in Israel zusammen, indem sie Hubble-Daten verwendeten, um die dunkle Materie durch Gravitationslinsen zu kartieren.
Simulationen und Ergebnisse
Mit Hilfe von John ZuHone vom Zentrum für Astrophysik an der Harvard- und Smithsonian-Institution simulierte das Team die Cluster-Kollision. Diese Simulationen, kombiniert mit Daten verschiedener Teleskope, ermöglichten es ihnen, die Geometrie und Phase der Entwicklung der Cluster-Kollision zu bestimmen. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass sich die Cluster vor der Kollision mit einer Geschwindigkeit von etwa 3000 Kilometern pro Sekunde aufeinander zu bewegten, was etwa einem Prozent der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Mit einem vollständigeren Bild der Ereignisse konnten die Forscher verstehen, warum dunkle und gewöhnliche Materie scheinbar in entgegengesetzte Richtungen zu bewegen schienen. Während Wissenschaftler zugeben, dass es schwierig ist, sich dies vorzustellen, erklären die Orientierung der Kollision und die Tatsache, dass sich dunkle und gewöhnliche Materie getrennt haben, die ungewöhnlichen Messergebnisse.
In Zukunft hoffen die Forscher, dass weitere Studien wie diese neue Hinweise auf die geheimnisvolle Natur der dunklen Materie liefern werden. "Diese Studie ist ein Ausgangspunkt für detailliertere Untersuchungen zur Natur der dunklen Materie", sagt Silich. "Wir haben eine neue Art von direkter Sonde, die zeigt, wie sich dunkle Materie anders verhält als gewöhnliche Materie."
Sayers, der sich daran erinnert, CSO-Daten zu diesem Objekt vor fast 20 Jahren gesammelt zu haben, sagt: "Es hat lange gedauert, bis wir alle Teile des Puzzles zusammengefügt haben, aber jetzt wissen wir endlich, was passiert. Wir hoffen, dass dies den Weg zu einer völlig neuen Art des Studiums der dunklen Materie in Clustern eröffnet."
Die Studie mit dem Titel "ICM-SHOX. Paper I: Methodology overview and discovery of a gas–dark matter velocity decoupling in the MACS J0018.5+1626 merger", wurde von der National Science Foundation, dem Wallace L. W. Sargent Graduate Fellowship am Caltech, dem Chandra X-ray Center, der U.S.-Israel Binational Science Foundation, dem israelischen Ministerium für Wissenschaft und Technologie, dem AtLAST (Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope) Projekt und dem Consejo Nacional de Humanidades Ciencias y Technologías finanziert.
Quelle: California Institute of Technology