По оценкам, примерно 10-20 процентов массы галактических скоплений приходится на видимую материю (барионную). Из нее состоят звезды и горячая плазма. Остальное приходится на темную материю, неуловимую нашими инструментами. Впервые напрямую наблюдать разделение двух видов материй удалось в сливающихся галактических скоплениях MACS J0018.5+1626.
Скопления галактик включают в себя тысячи объектов, удерживаемых силами гравитации. Это массивнейшие образования во Вселенной, содержащие много горячего газа, светящегося в рентгеновском диапазоне, а также темной материи.
MACS J0018.5+1626 — пара сливающихся галактических скоплений, удаленных от нас на миллиарды световых лет. Ученые из Калифорнийского технологического института (США) наблюдали за ним, используя данные собственной субмиллиметровой обсерватории, обсерватории W.M. Keck, субмиллиметровой антенны ASTE, рентгеновской обсерватории Chandra, космических телескопов Hubble, а также Herschel и Planck. Полный анализ всей информации потребовал несколько лет.
Два галактических скопления столкнулись, словно самосвалы с песком, роль которого играет темная материя. Во время удара груз выплеснулся. Такую аналогию привела Эмили Силич — первый автор исследования, опубликованного в издании The Astrophysical Journal.
При столкновении отдельные галактики в скоплениях не повредились, поскольку в них много «воздуха», а заполняющие пространство между ними облака газа закрутились и перегрелись. Электромагнитные силы, которым подчиняется обычная материя, во время коллизии замедлили газ, он увяз. Скопления же темной материи, реагирующие только на гравитационное воздействие, проплыли дальше. Таким образом обычная и темная материи разделились.
Самый известный пример такого разделения двух видов материй — галактическое скопление Пуля. Только ориентация слияния MACS J0018.5+1626 (теперь его обозначают как MACS J0018.5) несколько отличается от Пули, поворотом примерно на 90 градусов. Выглядит это так, будто одно из скоплений в MACS J0018.5 летит почти прямо к Земле, в то время как другое стремительно удаляется. Это дало хороший обзор и позволило впервые картировать скорости темной и обычной материй при разделении во время коллизии.
Исследователи применили метод, известный как кинетический эффект Сюняева — Зельдовича. Он проявляется в изменении яркости реликтовых фотонов из-за рассеивания на них электронов в горячем газе, направляющемся к Земле. С его помощью измеряют скорость межгалактического газа в скоплениях.
Профессор Джек Сейрес, руководивший этим исследованием, наблюдал эффект Сюняева — Зельдовича на отдельном галактическом скоплении MACS J0717 в 2013 году. Для объекта MACS J0018.5 его впервые использовали еще раньше — в 2006-м.
Ранее ученые измерили скорости газа с помощью эффекта Сюняева — Зельдовича в нескольких скоплениях галактик. Затем они определили скорости галактик в скоплениях, что позволило косвенно оценить скорости темной материи. Настало время разобраться с ориентацией MACS J0018.5. Ученые также провели картирование темной материи в скоплении методом гравитационного линзирования и, наконец, смоделировали собственно столкновение.
Выяснилось, что галактики двигались навстречу друг другу со скоростью около 3000 километров в секунду. Это составляет примерно один процент от скорости света. Получив полную картину, астрономы увидели, что темная и обычная материя разделились и движутся в разных направлениях.
Благодаря этой работе исследователи получили в руки инструмент для прямого исследования темной материи, которая все еще остается загадочной.