Galaktički klasteri predstavljaju jedne od najvećih struktura koje možemo pronaći u svemiru. Njihovo formiranje i održavanje omogućeno je djelovanjem gravitacije. Zanimljivo je da samo 15 posto mase ovih klastera čini obična materija, poput one koja tvori planete i sva poznata nebeska tijela. Unutar te obične materije, najveći udio čini vrući plin, dok ostatak pripada zvijezdama i planetima. Preostalih 85 posto mase pripada neuhvatljivoj tamnoj materiji, čija priroda još uvijek predstavlja zagonetku za znanstvenike širom svijeta.

Tijekom spektakularnog sudara između klastera, poznatog kao MACS J0018.5+1626, same galaksije ostale su uglavnom netaknute zahvaljujući velikim prazninama između njih. Međutim, goleme količine plina smještene između galaksija sudarile su se, što je rezultiralo turbulentnim i pregrijanim plinovima. Dok sve vrste materije, uključujući i običnu i tamnu, međusobno djeluju gravitacijom, obična materija dodatno komunicira putem elektromagnetizma, što ju usporava tijekom ovakvih sudara. Tako se dogodilo da je obična materija usporila, dok su mase tamne materije nastavile nesmetano prolaziti.

Usporedba s kamionima i pijeskom
Da bismo bolje razumjeli ovu pojavu, Emily Silich, vodeća autorica nedavne studije objavljene u časopisu The Astrophysical Journal, uspoređuje situaciju s masivnim sudarom kamiona natovarenih pijeskom. "Tamna materija ponaša se poput pijeska i nastavlja svoj put naprijed," objašnjava Silich, koja je postdiplomska studentica pod mentorstvom Jacka Sayersa, istraživačkog profesora fizike na Caltechu.

Ovo zapanjujuće otkriće temelji se na podacima prikupljenim sa Submilimetarskog opservatorija Caltech (nedavno premještenog s Havaja u Čile), opservatorija W.M. Keck, NASA-ine Opservatorije rendgenskih zraka Chandra, Svemirskog teleskopa Hubble, kao i Europske svemirske opservatorije Herschel i Planck. Važno je napomenuti da su neka od tih promatranja obavljena desetljećima ranije, dok su konačne analize provedene u proteklih nekoliko godina.

Prijašnja opažanja odvajanja materije
Pojava razdvajanja tamne i obične materije nije nova i ranije je zabilježena u klasteru poznatom kao Bullet Cluster. U tom slučaju, vreli plin zaostaje za tamnom materijom nakon što su galaktički klasteri međusobno prošli. U klasteru MACS J0018.5+1626 (dalje MACS J0018.5), situacija je slična, ali je orijentacija sudara rotirana za otprilike 90 stupnjeva u odnosu na Bullet Cluster. To znači da jedan od masivnih klastera u MACS J0018.5 juri prema Zemlji, dok se drugi udaljava. Ta orijentacija omogućila je istraživačima jedinstvenu priliku da prvi put mapiraju brzine tamne i obične materije te razjasne kako dolazi do njihovog razdvajanja tijekom sudara.

"S Bullet Clusterom, kao da sjedimo na tribini i gledamo utrku automobila, snimajući ih dok se kreću s lijeva na desno," objašnjava Sayers. "U našem slučaju, više je kao da stojimo na pravcu s radarom, bilježeći brzinu automobila koji nam dolazi u susret."

Napredne tehnike mjerenja brzine plina
Za precizno mjerenje brzine obične materije, odnosno plina u klasteru, istraživači su se oslonili na tehniku poznatu kao kinetički Sunyaev-Zel'dovich (SZ) efekt. Još 2013. godine, Sayers i njegov tim prvi su put zabilježili SZ efekt na pojedinačnom kozmičkom objektu, galaktičkom klasteru MACS J0717, koristeći podatke iz CSO-a. Prva promatranja SZ efekta za MACS J0018.5 datiraju iz 2006. godine.

Kinetički SZ efekt nastaje kada fotoni iz ranog svemira, odnosno kozmička mikrovalna pozadina (CMB), rasprše elektrone u vrućem plinu na svom putu prema Zemlji. Fotoni tada doživljavaju pomak, poznat kao Dopplerov pomak, uzrokovan kretanjem elektrona u oblacima plina duž naše linije vida. Mjerenjem promjena svjetline CMB-a uzrokovanih ovim pomakom, istraživači su uspjeli odrediti brzinu oblaka plina unutar galaktičkih klastera.

"Sunyaev-Zeldovich efekti još uvijek su predstavljali novi alat za promatranje kad smo Jack i ja prvi put usmjerili novu kameru na CSO-u prema galaktičkim klasterima 2006. godine, bez ideje o tome kakva će otkrića uslijediti," prisjeća se Sunil Golwala, profesor fizike i mentor Emily Silich za doktorat. "Veselimo se novim otkrićima kada postavimo instrumente sljedeće generacije na teleskop na njegovoj novoj lokaciji u Čileu."

Analiza i interpretacija podataka
Do 2019. godine, istraživački tim izveo je SZ mjerenja u nekoliko galaktičkih klastera, što im je omogućilo da izračunaju brzinu plina, odnosno obične materije. Koristeći opservatorij Keck, također su odredili brzinu galaksija unutar klastera, što im je omogućilo da neizravno odrede brzinu tamne materije, budući da se tamna materija i galaksije ponašaju na sličan način tijekom sudara. No, u ovoj fazi istraživanja, tim je imao ograničeno razumijevanje orijentacije klastera. Znali su da MACS J0018.5 pokazuje znakove neobičnog kretanja, pri čemu se vreli plin kreće u suprotnom smjeru od tamne materije.

"Imali smo potpunu anomaliju s brzinama u suprotnim smjerovima i isprva smo mislili da je problem u našim podacima. Čak ni kolege koji simuliraju galaktičke klastere nisu znali što se događa," kaže Sayers. "A onda se uključila Emily i raspetljala sve."

Kao dio svog doktorata, Emily Silich preuzela je izazov rješavanja zagonetke MACS J0018.5. Oslanjajući se na podatke iz Opservatorije rendgenskih zraka Chandra, otkrila je temperature i lokacije plina unutar klastera te stupanj u kojem je plin bio šokiran. "Ovi sudari klastera su najenergičniji fenomeni nakon Velikog praska," objašnjava Silich. "Chandra mjeri ekstremne temperature plina i govori nam o starosti sudara i koliko su nedavno klasteri međusobno sudarili." Tim je također surađivao s Adijem Zitrinom sa Sveučilišta Ben-Gurion u Izraelu, koristeći podatke Hubblea za mapiranje tamne materije metodom gravitacijske leće.

Simulacije i rezultati
Uz pomoć Johna ZuHonea iz Centra za astrofiziku na Harvardu i Smithsonianu, tim je simulirao sudar klastera. Ove simulacije, kombinirane s podacima iz raznih teleskopa, omogućile su im da odrede geometriju i fazu evolucije sudara klastera. Znanstvenici su otkrili da su se klasteri, prije sudara, kretali jedan prema drugome brzinom od približno 3000 kilometara u sekundi, što je otprilike jedan posto brzine svjetlosti. S potpunijom slikom događanja, istraživači su uspjeli shvatiti zašto su tamna i obična materija izgledale kao da se kreću u suprotnim smjerovima. Iako znanstvenici priznaju da je teško vizualizirati, orijentacija sudara, zajedno s činjenicom da su se tamna i obična materija razdvojile, objašnjava neobične rezultate mjerenja brzine.

U budućnosti, istraživači se nadaju da će daljnje studije poput ove pružiti nove tragove o misterioznoj prirodi tamne materije. "Ova studija je početna točka za detaljnija istraživanja prirode tamne materije," kaže Silich. "Imamo novi tip izravnog sonde koji pokazuje kako se tamna materija ponaša drugačije od obične materije."

Sayers, koji se sjeća prikupljanja CSO podataka o ovom objektu prije gotovo 20 godina, kaže: "Trebalo nam je dugo vremena da sastavimo sve dijelove slagalice, ali sada konačno znamo što se događa. Nadamo se da će ovo otvoriti put ka potpuno novom načinu proučavanja tamne materije u klasterima."

Studija pod nazivom "ICM-SHOX. Paper I: Methodology overview and discovery of a gas–dark matter velocity decoupling in the MACS J0018.5+1626 merger," financirana je od strane Nacionalne zaklade za znanost, Wallace L. W. Sargent Graduate Fellowship-a na Caltechu, Chandra X-ray Center-a, Američko-izraelske binacionalne znanstvene zaklade, Ministarstva znanosti i tehnologije Izraela, AtLAST (Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope) projekta, te Consejo Nacional de Humanidades Ciencias y Technologías.

Izvor: California Institute of Technology