Wyobraźcie sobie dwie wywrotki załadowane piaskiem. Jeżeli ciężarówki zderzą się czołowo z odpowiednio dużą prędkością, dojdzie do kraksy, a luźny ładunek ze skrzyni poleci do przodu. W ten metaforyczny sposób astrofizyczka z Caltechu Emily Silich, opisała kolizję dwóch gromad galaktyk, przeanalizowaną ostatnio na łamach The Astrophysical Journal.
Rzecz dotyczy olbrzymiej struktury MACS J0018.5+1626, obejmującej dwa przenikające się skupiska kilkudziesięciu galaktyk. Obszar ten jest znany astronomom od dawna, ale dopiero zgromadzenie odpowiednio dużego zestawu danych zbieranych w różnym spektrum i różnymi technikami (przy pomocy aż siedmiu obserwatoriów!), pozwoliło na przygotowanie obecnej analizy.
Same galaktyki wewnątrz gromad dzielą odległości rzędu milionów lat świetlnych, w związku z czym wychodzą często z tego typu kosmicznych kolizji bez szwanku. Naukowców interesowały jednak nie tyle galaktyki, ile zachowanie rozrzedzonej materii wypełniającej przestrzenie międzygalaktyczne (ICM, Intracluster medium).
Ścierające się obłoki gazów podlegały turbulencjom i nabierały temperatury – to właśnie kraksa naszych metaforycznych ciężarówek. Rolę piachu w tym przypadku odegrała natomiast ciemna materia, która wraz z galaktykami „popłynęła” dalej. To oczekiwany przebieg wydarzeń, wynikający z właściwości obu rodzajów materii. O ile niewidzialna ciemna materia oddziałuje wyłącznie grawitacyjnie, o tyle „zwykła” materia barionowa reaguje również elektromagnetycznie.
Ruch medium międzygalaktycznego został przeanalizowany dzięki kinematycznemu efektowi Siuniajewa-Zeldowicza. Zjawisko to wykorzystuje zmiany w widmie mikrofalowego promieniowania tła, zachodzące, kiedy fotony tła ulegają rozproszeniu na wysokoenergetycznych elektronach rozgrzanej materii. Mierząc to przesunięcie widma, astronomowie od kilkunastu lat potrafią określać prędkości obłoków wypełniających gromady.
Ciemna materia z definicji pozostaje ukryta przed teleskopami optycznymi, a jej obecność manifestuje się wyłącznie w sposób pośredni. Zespół z Caltechu współpracował na tym polu z naukowcami z Uniwersytetu Ben-Guriona w Negewie. Izraelczycy dokonali mapowania rozkładu ciemnej materii w wyznaczonym obszarze, odwołując się do soczewkowania grawitacyjnego. Wypatrywali odcisków niewidzialnej masy, w postaci zakrzywionych promieni świetlnych na zdjęciach pochodzących z Teleskopu Hubble’a.
Łącząc elementy układanki, otrzymano obraz wielkiej kosmicznej kolizji, w czasie której skupiska galaktyk wpadły na siebie z prędkością około 3 tys. km/s (zatem około 1% prędkości światła w próżni). Zderzenie doprowadziło do odseparowania ciemnej materii od materii barionowej, która na skutek oddziaływania elektromagnetycznego znacznie wyraźniej wytraciła prędkość.
Badacze mieli szansę zobaczenia czegoś podobnego już w poprzednich latach, jednak przypadek MACS J0018.5+1626 jest szczególny przez swoje ułożenie względem Ziemi. Dotąd kolizje gromad oglądaliśmy „tak, jakbyśmy siedzieli na trybunach i patrzyli na wyścig samochodów poruszających się z lewej do prawej, na prostej” – tłumaczy Jack Sayers z Caltechu – „tym razem jest bardziej tak, jakbyśmy stali z radarem przed samochodem, który nadjeżdża w naszą stronę i moglibyśmy dokładnie zmierzyć jego prędkość”.
Publikacja pod długim tytułem ICM-SHOX. I. Methodology Overview and Discovery of a Gas–Dark Matter Velocity Decoupling in the MACS J0018.5+1626 Merger trafiła do The Astrophysical Journal. Odkrycie opisała również strona Caltechu.
