Астрономы раскрыли тайны грандиозного столкновения двух гигантских скоплений галактик, где облака загадочной темной материи обогнали обычную видимую материю. Это открытие проливает свет на поведение самой загадочной субстанции во Вселенной.
Космический танец гигантов
В миллиардах световых лет от Земли разворачивается грандиозное космическое представление. Два массивных скопления галактик, каждое из которых содержит тысячи звездных островов, сталкиваются друг с другом. Но в этом столкновении происходит нечто удивительное - невидимая темная материя, составляющая большую часть массы скоплений, ведет себя иначе, чем обычная видимая материя.
Темная материя, невидимая субстанция, которая взаимодействует только через гравитацию, устремилась вперед, обгоняя обычную материю. Это первое прямое наблюдение разделения скоростей темной и обычной материи в подобном космическом столкновении.
Анатомия космического столкновения
Скопления галактик - одни из крупнейших структур во Вселенной, удерживаемые вместе силой гравитации. Их состав поражает воображение: лишь 15% массы таких скоплений составляет обычная материя, та же, из которой состоим мы с вами и все видимые объекты вокруг. Причем большая часть этой обычной материи представлена горячим газом, а остальное - звездами и планетами. Оставшиеся 85% массы скопления - это загадочная темная материя.
В ходе столкновения, получившего обозначение MACS J0018.5+1626, отдельные галактики в основном остались невредимыми из-за огромных расстояний между ними. Однако огромные облака газа между галактиками столкнулись, став турбулентными и перегретыми.
Темная материя: невидимый лидер гонки
Ключевое различие между темной и обычной материей заключается в том, как они взаимодействуют. Если вся материя подвержена влиянию гравитации, то обычная материя также взаимодействует посредством электромагнетизма. Это дополнительное взаимодействие замедляет обычную материю во время столкновения, в то время как темная материя беспрепятственно проходит сквозь него.
Эмили Силич, ведущий автор исследования, опубликованного в The Astrophysical Journal, предлагает наглядную аналогию: "Представьте столкновение нескольких самосвалов, перевозящих песок. Темная материя подобна песку, который вылетает вперед, в то время как обычная материя - это сами грузовики, которые застревают в столкновении".
Технологический прорыв в наблюдениях
Это открытие стало возможным благодаря использованию данных с множества телескопов и обсерваторий, включая субмиллиметровую обсерваторию Калтеха, обсерваторию WM Keck, рентгеновскую обсерваторию Chandra NASA, космический телескоп Hubble NASA, космические обсерватории Herschel и Planck Европейского космического агентства, а также эксперимент с субмиллиметровым телескопом Atacama в Чили.
Уникальная ориентация столкновения MACS J0018.5+1626 позволила ученым впервые составить карту скорости как темной, так и обычной материи, наблюдая их разделение во время космического столкновения
Новый взгляд на космическую гонку
Профессор Джек Сэйерс, главный исследователь проекта, поясняет: "В отличие от предыдущих наблюдений, где мы словно сидели на трибуне и наблюдали за гонкой сбоку, здесь мы находимся прямо на трассе с радаром, измеряя скорость приближающихся к нам объектов".
Для измерения скорости обычной материи (газа) в скоплении исследователи использовали кинетический эффект Сюняева-Зельдовича (СЗ). Этот метод основан на взаимодействии фотонов космического микроволнового фона с электронами в горячем газе скоплений галактик.
Разгадка космической головоломки
Первоначально данные о скоростях темной и обычной материи в MACS J0018.5+1626 казались противоречивыми. Эмили Силич взялась за эту загадку в рамках своей докторской диссертации. Она использовала данные рентгеновской обсерватории Chandra для анализа температуры и расположения газа в скоплениях.
"Эти столкновения скоплений - самые энергичные явления со времен Большого взрыва", - отмечает Силич. "Chandra измеряет экстремальные температуры газа и сообщает нам о возрасте слияния и о том, как недавно столкнулись скопления".
Команда также использовала данные телескопа Хаббл для картирования темной материи методом гравитационного линзирования. Гравитационное линзирование - это уникальный астрономический феномен, при котором свет от удаленных космических объектов искривляется под воздействием гравитации массивных тел. Этот эффект возникает, когда лучи света проходят вблизи крупных космических структур, таких как гигантские галактики или их скопления.
Подобно увеличительному стеклу, гравитационные линзы усиливают и искажают свет от чрезвычайно далеких источников - звезд, галактик и квазаров. Благодаря этому явлению астрономы получают возможность изучать объекты, существовавшие на заре Вселенной, которые иначе были бы недоступны для наблюдений.
Кроме того, гравитационное линзирование позволяет обнаруживать экзопланеты, вращающиеся вокруг отдаленных звезд. Но, пожалуй, самое удивительное применение этого метода - выявление распределения загадочной темной материи, пронизывающей космическое пространство. Таким образом, гравитационное линзирование служит мощным инструментом для раскрытия тайн ранней Вселенной и ее невидимых компонентов.
Кроме того, были проведены компьютерные симуляции столкновения скоплений.
Будущее исследований темной материи
Это исследование открывает новые возможности для изучения природы темной материи. "У нас появился новый инструмент, который показывает, как темная материя ведет себя иначе, чем обычная материя", - говорит Силич.
Профессор Сэйерс, вспоминая, как почти 20 лет назад начал собирать данные по этому объекту, отмечает: "Нам потребовалось много времени, чтобы сложить все части головоломки воедино, но теперь мы, наконец, понимаем, что происходит. Мы надеемся, что это приведет к совершенно новому способу изучения темной материи в скоплениях галактик".
Это исследование не только раскрывает тайны поведения темной материи, но и демонстрирует важность междисциплинарного подхода и использования передовых технологий в современной астрономии. Оно открывает новую главу в нашем понимании фундаментальных законов Вселенной и обещает еще больше захватывающих открытий в будущем.
Источник: Уитни Клэвин, Калифорнийский технологический институт
