Gromady galaktyk to jedne z największych struktur, jakie możemy znaleźć we wszechświecie. Ich formowanie i utrzymanie umożliwia grawitacja. Co ciekawe, tylko 15 procent masy tych gromad stanowi zwykła materia, taka jak ta, która tworzy planety i wszystkie znane ciała niebieskie. W tej zwykłej materii największy udział stanowi gorący gaz, podczas gdy reszta należy do gwiazd i planet. Pozostałe 85 procent masy przypada na nieuchwytną ciemną materię, której natura wciąż stanowi zagadkę dla naukowców na całym świecie.

Podczas spektakularnego zderzenia gromad znanego jako MACS J0018.5+1626, same galaktyki pozostały w dużej mierze nienaruszone dzięki ogromnym pustkom między nimi. Jednak ogromne ilości gazu znajdującego się między galaktykami zderzyły się, co skutkowało powstaniem turbulentnych i przegrzanych gazów. Podczas gdy wszystkie rodzaje materii, w tym zwykła i ciemna, oddziałują ze sobą grawitacyjnie, zwykła materia dodatkowo komunikuje się za pośrednictwem elektromagnetyzmu, co spowalnia ją podczas takich zderzeń. W ten sposób zwykła materia spowolniła, podczas gdy masy ciemnej materii kontynuowały swobodnie przechodzenie.

Porównanie z ciężarówkami i piaskiem
Aby lepiej zrozumieć to zjawisko, Emily Silich, główna autorka niedawnego badania opublikowanego w czasopiśmie The Astrophysical Journal, porównuje sytuację do masywnego zderzenia ciężarówek załadowanych piaskiem. "Ciemna materia zachowuje się jak piasek i kontynuuje swoją drogę naprzód," wyjaśnia Silich, która jest doktorantką pod kierunkiem Jacka Sayersa, profesora fizyki w Caltech.

To zdumiewające odkrycie opiera się na danych zebranych z Submilimetrowego Obserwatorium Caltech (niedawno przeniesionego z Hawajów do Chile), Obserwatorium W.M. Keck, Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra NASA, Teleskopu Kosmicznego Hubble’a, a także Europejskiego Obserwatorium Kosmicznego Herschel i Planck. Ważne jest, aby zauważyć, że niektóre z tych obserwacji zostały dokonane dziesiątki lat wcześniej, podczas gdy ostateczne analizy przeprowadzono w ostatnich latach.

Poprzednie obserwacje rozdzielenia materii
Zjawisko rozdzielenia ciemnej i zwykłej materii nie jest nowe i wcześniej zostało zarejestrowane w gromadzie znanej jako Bullet Cluster. W tym przypadku gorący gaz pozostaje za ciemną materią po przejściu przez siebie gromad galaktycznych. W gromadzie MACS J0018.5+1626 (dalej MACS J0018.5), sytuacja jest podobna, ale orientacja zderzenia jest obrócona o około 90 stopni w porównaniu do Bullet Cluster. Oznacza to, że jedna z masywnych gromad w MACS J0018.5 pędzi w kierunku Ziemi, podczas gdy druga się oddala. Ta orientacja dała badaczom unikalną okazję do pierwszego mapowania prędkości ciemnej i zwykłej materii oraz wyjaśnienia, jak dochodzi do ich rozdzielenia podczas zderzenia.

"Z Bullet Clusterem, to jakbyśmy siedzieli na trybunie i oglądali wyścigi samochodowe, nagrywając je, gdy poruszają się z lewej na prawą," wyjaśnia Sayers. "W naszym przypadku, to bardziej jakbyśmy stali na linii startu z radarem, mierząc prędkość samochodów zbliżających się do nas."

Zaawansowane techniki pomiaru prędkości gazu
Aby dokładnie zmierzyć prędkość zwykłej materii, czyli gazu w gromadzie, naukowcy polegali na technice znanej jako kinetyczny efekt Suniajewa-Zeldowicza (SZ). Już w 2013 roku Sayers i jego zespół po raz pierwszy zarejestrowali efekt SZ na pojedynczym obiekcie kosmicznym, gromadzie galaktyk MACS J0717, korzystając z danych z CSO. Pierwsze obserwacje efektu SZ dla MACS J0018.5 sięgają 2006 roku.

Kineticzny efekt SZ występuje, gdy fotony z wczesnego wszechświata, czyli kosmiczne promieniowanie mikrofalowe tła (CMB), rozpraszają elektrony w gorącym gazie na swojej drodze do Ziemi. Fotony doświadczają wtedy przesunięcia, znanego jako przesunięcie Dopplera, spowodowanego ruchem elektronów w chmurach gazu wzdłuż naszej linii widzenia. Mierząc zmiany jasności CMB spowodowane tym przesunięciem, badacze byli w stanie określić prędkość chmur gazu w gromadach galaktyk.

"Efekty Suniajewa-Zeldowicza były wciąż nowym narzędziem do obserwacji, kiedy Jack i ja po raz pierwszy skierowaliśmy nową kamerę na CSO na gromady galaktyk w 2006 roku, nie mając pojęcia, jakie odkrycia nastąpią," wspomina Sunil Golwala, profesor fizyki i promotor Emily Silich przy jej doktoracie. "Czekamy na nowe odkrycia, gdy zainstalujemy instrumenty następnej generacji na teleskopie w jego nowej lokalizacji w Chile."

Analiza i interpretacja danych
Do 2019 roku zespół badawczy przeprowadził pomiary SZ w kilku gromadach galaktyk, co umożliwiło im obliczenie prędkości gazu, czyli zwykłej materii. Korzystając z obserwatorium Keck, określili również prędkość galaktyk w gromadzie, co pozwoliło im pośrednio określić prędkość ciemnej materii, ponieważ ciemna materia i galaktyki zachowują się podobnie podczas zderzeń. Jednak na tym etapie badań zespół miał ograniczone zrozumienie orientacji gromady. Wiedzieli, że MACS J0018.5 wykazuje oznaki nietypowego ruchu, z gorącym gazem poruszającym się w przeciwnym kierunku do ciemnej materii.

"Mieliśmy kompletną anomalię z prędkościami w przeciwnych kierunkach i początkowo myśleliśmy, że jest problem z naszymi danymi. Nawet koledzy symulujący gromady galaktyk nie wiedzieli, co się dzieje," mówi Sayers. "A potem Emily się zaangażowała i wszystko rozwikłała."

W ramach swoich studiów doktoranckich Emily Silich podjęła wyzwanie rozwiązania zagadki MACS J0018.5. Opierając się na danych z Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra, odkryła temperatury i lokalizacje gazu w gromadzie oraz stopień, w jakim gaz był szokowany. "Te zderzenia gromad to najbardziej energetyczne zjawiska po Wielkim Wybuchu," wyjaśnia Silich. "Chandra mierzy ekstremalne temperatury gazu i mówi nam o wieku zderzenia oraz o tym, jak niedawno gromady się zderzyły." Zespół współpracował również z Adim Zitrinem z Uniwersytetu Ben-Guriona w Izraelu, wykorzystując dane Hubble’a do mapowania ciemnej materii metodą soczewkowania grawitacyjnego.

Symulacje i wyniki
Z pomocą Johna ZuHone’a z Centrum Astrofizyki w Harvardzie i Smithsonian, zespół symulował zderzenie gromad. Te symulacje, w połączeniu z danymi z różnych teleskopów, pozwoliły im określić geometrię i fazę ewolucji zderzenia gromad. Naukowcy odkryli, że przed zderzeniem gromady poruszały się względem siebie z prędkością około 3000 kilometrów na sekundę, co stanowi około jednego procenta prędkości światła. Dzięki pełniejszemu obrazowi wydarzeń badacze byli w stanie zrozumieć, dlaczego ciemna i zwykła materia wydawały się poruszać w przeciwnych kierunkach. Choć naukowcy przyznają, że trudno to sobie wyobrazić, orientacja zderzenia, wraz z faktem, że ciemna i zwykła materia się rozdzieliły, wyjaśnia niezwykłe wyniki pomiarów prędkości.

W przyszłości badacze mają nadzieję, że dalsze badania tego rodzaju dostarczą nowych wskazówek na temat tajemniczej natury ciemnej materii. "To badanie jest punktem wyjścia do bardziej szczegółowych badań natury ciemnej materii," mówi Silich. "Mamy nowy typ bezpośredniej sondy, która pokazuje, jak ciemna materia zachowuje się inaczej niż zwykła materia."

Sayers, który pamięta zbieranie danych CSO na temat tego obiektu prawie 20 lat temu, mówi: "Zajęło nam dużo czasu, aby złożyć wszystkie części układanki, ale teraz wreszcie wiemy, co się dzieje. Mamy nadzieję, że to otworzy drogę do całkowicie nowego sposobu badania ciemnej materii w gromadach."

Badanie zatytułowane "ICM-SHOX. Paper I: Methodology overview and discovery of a gas–dark matter velocity decoupling in the MACS J0018.5+1626 merger", było finansowane przez National Science Foundation, Wallace L. W. Sargent Graduate Fellowship w Caltech, Chandra X-ray Center, U.S.-Israel Binational Science Foundation, Ministerstwo Nauki i Technologii Izraela, projekt AtLAST (Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope) oraz Consejo Nacional de Humanidades Ciencias y Technologías.

Źródło: California Institute of Technology