Темна матерія виплеснулася при зіткненні масивних галактичних скупчень

За оцінками, приблизно 10-20 відсотків маси галактичних скупчень посідає видиму матерію (баріонну). З неї складаються зірки та гаряча плазма. Решта посідає темну матерію, невловиму нашими інструментами. Вперше безпосередньо спостерігати поділ двох видів матерій вдалося у галактичних скупченнях, що зливаються MACS J0018.5 +1626.

Скупчення галактик включають тисячі об’єктів, що утримуються силами гравітації. Це масивні утворення у Всесвіті, що містять багато гарячого газу, що світиться в рентгенівському діапазоні, а також темної матері.

MACS J0018.5+1626 — пара галактичних скупчень, що зливаються, віддалених від нас на мільярди світлових років. Вчені з Каліфорнійського технологічного інституту (США) спостерігали за ним, використовуючи дані власної субміліметрової обсерваторії, обсерваторії WM Keck, субміліметрової антени ASTE, рентгенівської обсерваторії Chandra, космічних телескопів Hubble, а також Hers. Повний аналіз всієї інформації зажадав кілька років.

Два галактичні скупчення зіткнулися, немов самоскиди з піском, роль якого грає темна матерія. Під час удару вантаж виплеснувся. Таку аналогію навела Емілі Сіліч – перший автор дослідження, опублікованого у виданні The Astrophysical Journal.

При зіткненні окремі галактики в скупченнях не пошкодилися, оскільки в них багато «повітря», а хмари газу, що заповнюють простір, між ними закрутилися і перегрілися. Електромагнітні сили, яким підпорядковується звичайна матерія, під час колізії сповільнили газ, він ув’язнений. Скупчення ж темної матерії, що реагують лише на гравітаційну дію, пропливли далі. Таким чином звичайна та темна матерії розділилися.

Найвідоміший приклад такого поділу двох видів матерій — галактичне скупчення Куля. Тільки орієнтація злиття MACS J0018.5+1626 (тепер його позначають як MACS J0018.5) дещо відрізняється від Кулі, поворотом приблизно на 90 градусів. Виглядає це так, ніби одне зі скупчень в MACS J0018.5 летить майже прямо до Землі, тоді як інше швидко видаляється. Це дало гарний огляд і дозволило вперше картувати швидкості темної та звичайної матерій під час поділу під час колізії.

Дослідники застосували метод, відомий як кінетичний ефект Сюняєва Зельдовича. Він проявляється у зміні яскравості реліктових фотонів через розсіювання на них електронів у гарячому газі, що прямує до Землі. З його допомогою вимірюють швидкість міжгалактичного газу в скупченнях.

Професор Джек Сейрес, який керував цим дослідженням, спостерігав ефект Сюняєва — Зельдовича на окремому галактичному скупченні MACS J0717 у 2013 році. Для об’єкта MACS J0018.5 його вперше використали ще раніше – у 2006-му.

Раніше вчені виміряли швидкості газу за допомогою ефекту Сюняєва — Зельдовича у кількох скупченнях галактик. Потім вони визначили швидкості галактик у скупченнях, що дозволило опосередковано оцінити швидкість темної матерії. Настав час розібратися з орієнтацією MACS J0018.5. Вчені також провели картування темної матерії в скупченні методом гравітаційного лінзування і змоделювали власне зіткнення.

З’ясувалося, що галактики рухалися назустріч одна одній зі швидкістю близько 3000 кілометрів на секунду. Це становить приблизно один відсоток швидкості світла. Отримавши повну картину, астрономи побачили, що темна та звичайна матерія розділилися та рухаються у різних напрямках. Завдяки цій роботі дослідники одержали до рук інструмент для прямого дослідження темної матерії, яка все ще залишається загадковою.