这幅艺术家的概念图展示了两个大质量星系团(统称为MACS J0018.5)相撞时发生的情况:星系团中的暗物质(蓝色)在相关的热气体云或正常物质(橙色)之前航行。暗物质和正常物质都能感受到重力的拉力，但只有正常物质会经历额外的影响，比如在碰撞过程中减慢速度的冲击和湍流。图片来源:W.M.凯克天文台/Adam Makarenko
阿斯特罗科学家们观察到两个星系团之间的一次独特碰撞，揭示了暗物质和正常物质在这种碰撞中是如何分离的。
利用先进的望远镜和观测仪器包括SZ效应在内的其他技术，研究人员追踪了暗物质和正常物质的解耦速度。这项研究增强了我们对暗物质神秘本质的理解，并为未来的研究奠定了基础。
星系团中的暗物质解耦
天文学家解开了两个大质量星系团之间的混乱碰撞，其中星系团的巨大暗物质云已经与所谓的正常物质分离。这两个星系团各自包含数千个星系，距离地球数十亿光年。暗物质是一种无形的物质，能感受到重力的作用，但不会发出光，当它们穿过彼此时，暗物质的速度超过了正常物质。新的观测是第一次直接探测暗物质和正常物质速度的解耦。
由于引力的作用，星系团是宇宙中最大的结构之一。在这样的星团中，只有15%的质量是正常物质，同样的物质构成了行星、人类和你周围看到的一切。在这些正常物质中，绝大多数是热气体，其余的是恒星和行星。剩下85%的星团质量是暗物质。
这幅艺术家的动画描绘了两个巨大的星系团之间的碰撞。随着碰撞的进行，星系团中的暗物质(蓝色)在相关的热气体云或正常物质(橙色)之前移动。动画制作:W.M.凯克天文台/亚当·马卡连科
碰撞动力学和物质相互作用
在被称为MACS J0018.5+1626的星系团之间发生的争斗中，单个星系本身基本上没有受到伤害，因为它们之间存在着如此大的空间。但是，当星系之间的大量气体(正常物质)碰撞时，气体变得动荡和过热。虽然所有的物质，包括普通物质和暗物质，都通过引力相互作用，但普通物质也通过电磁相互作用，这在碰撞过程中会减慢速度。因此，当正常物质陷入困境时，每个星系团中的暗物质池却安然无恙。
艾米丽Silich。信贷:加州理工学院
一项新研究的主要作者艾米丽·西里奇(Emily Silich)在《天体物理学杂志》(the Astrophysical Journal)上描述了这一发现，她建议，想象一下多辆运沙子的自卸卡车之间的巨大碰撞。“暗物质就像沙子一样向前飞。”Silich是一名研究生，他的同事Jack Sayers是加州理工学院的物理学研究教授，也是这项研究的首席研究员。
研究方法与观察最终的见解
这一发现是利用加州理工学院亚毫米天文台(最近从夏威夷莫纳克山的站点搬迁到智利)、莫纳克山的W.M.凯克天文台、美国宇航局的钱德拉x射线天文台、美国宇航局的哈勃太空望远镜、欧洲航天局现已退休的赫歇尔空间天文台和普朗克天文台(其附属的美国宇航局科学中心设在加州理工学院的IPAC)和智利的阿塔卡马亚毫米望远镜实验的数据得出的。其中一些观测是在几十年前进行的，而使用所有数据集进行的全面分析是在过去几年进行的。
与子弹簇的比较分析
暗物质和正常物质的这种解耦以前也被发现过，最著名的是在子弹星系团中。在那次碰撞中，可以清楚地看到，在两个星系团相互穿过之后，热气体落后于暗物质。发生在MACS J0018.5+1626(后来被称为MACS J0018.5)中的情况与此类似，但合并的方向是旋转的，相对于子弹星团的方向大约是90度。换句话说，MACS J0018.5中的一个巨大的星团几乎是笔直地飞向地球，而另一个则疾驰而去。这个方向给了研究人员一个独特的有利位置，使他们第一次绘制出暗物质和正常物质的速度，并阐明它们在星系团碰撞过程中是如何相互分离的。
杰克·塞耶斯正在解释星系团碰撞的几何形状。信贷:加州理工学院
塞耶斯说:“有了子弹星团，就像我们坐在看台上观看汽车比赛一样，我们能够捕捉到汽车在直道上从左到右移动的美丽快照。”“在我们的情况下，更像是我们站在直道上，拿着雷达枪，站在一辆向我们驶来的汽车前面，能够获得它的速度。”
利用SZ效应测量物质速度
为了测量星系团中正常物质或气体的速度，研究人员使用了一种被称为动态Sunyaev-Zel'dovich (SZ)效应的观测方法。早在2013年，Sayers和他的同事们就利用CSO的数据首次观测到单个宇宙物体(一个名为MACS J0717的星系团)的动态SZ效应(对MACS J0018.5的第一次SZ效应观测可以追溯到2006年)。
动能SZ效应发生在来自早期宇宙的光子，即宇宙微波背景辐射(CMB)，在向地球行进的过程中，在热气中散射电子。由于气体云中的电子沿着我们的视线运动，光子经历了一种叫做多普勒频移的位移。通过测量由于这种变化而导致的CMB亮度变化，研究人员可以确定星系团内气体云的速度。
先进天文台的作用和未来展望
“2006年，当杰克和我第一次在中央天文台用一台新相机拍摄星系团时，苏尼耶夫-泽尔多维奇效应仍然是一个非常新的观测工具，我们不知道会有这样的发现，”物理学教授、西里奇的教师博士导师苏尼尔·戈尔瓦拉说。“当我们在智利的新家安装下一代仪器时，我们期待着一系列新的惊喜。”
到2019年，研究人员已经在几个星系团中进行了这些动态SZ测量，这告诉了他们气体或正常物质的速度。他们还利用凯克望远镜了解了星系团中星系的速度，由此推算出暗物质的速度(因为暗物质和星系在碰撞过程中的行为相似)。但在研究的这个阶段，研究小组对星团的方向了解有限。他们只知道其中一个，MACS J0018.5，显示出一些奇怪的迹象——热气体，或正常物质，正朝着与暗物质相反的方向运动。
理解暗物质的挑战和突破
“我们发现了这个完全奇怪的速度相反的方向，一开始我们认为这可能是我们的数据有问题。即使是我们模拟星系团的同事也不知道发生了什么。“然后艾米丽参与进来，解开了所有的谜团。”
在她的博士论文中，Silich解决了MACS J0018.5的难题。她利用钱德拉x射线天文台的数据，揭示了星系团中气体的温度和位置，以及气体受到冲击的程度。“这些星团碰撞是大爆炸以来能量最大的现象，”Silich说。“钱德拉测量了气体的极端温度，并告诉我们合并的年龄以及星团碰撞的时间。”该团队还与以色列内盖夫本-古里安大学的阿迪·齐特林(Adi Zitrin)合作，利用哈勃望远镜的数据，利用一种被称为引力透镜的方法，绘制了暗物质的地图。
此外，哈佛和史密森尼天体物理中心的约翰·祖霍恩(John ZuHone)帮助该团队模拟了星团的大碰撞。这些模拟与来自不同望远镜的数据相结合，最终确定了星团相遇的几何形状和演化阶段。科学家们发现，在碰撞之前，这些星团以大约3000公里/秒的速度相互移动，大约相当于光速的1%。
有了一个更完整的图像，研究人员能够弄清楚为什么暗物质和正常物质似乎在相反的方向上运动。虽然科学家们说很难想象，但碰撞的方向，加上暗物质和正常物质相互分离的事实，解释了奇怪的速度测量结果。
有限公司结论及未来研究方向
在未来，研究人员希望更多类似的研究能够为暗物质的神秘本质提供新的线索。“这项研究是对暗物质本质进行更详细研究的起点，”Silich说。“我们有一种新型的直接探测器，可以显示暗物质与正常物质的不同之处。”
塞耶斯回忆起大约20年前第一次收集这个天体的CSO数据，他说:“我们花了很长时间才把所有的谜团拼凑在一起，但现在我们终于知道发生了什么。我们希望这能为研究星系团中的暗物质提供一种全新的方法。”
参考:“ICM-SHOX。1 . MACS J0018.5+1626合并中气体-暗物质速度解耦合的方法概述和发现”，作者:Emily M. Silich, Elena Bellomi, Jack Sayers, John ZuHone, Urmila Chadayammuri, Sunil Golwala, David Hughes, Alfredo Montaña, Tony Mroczkowski, Daisuke Nagai, David Sánchez-Argüelles, S. a . Stanford, Grant Wilson, Michael Zemcov和Adi Zitrin, 2024年6月12日，《天体物理学杂志》1538 - 4357 . DOI: 10.3847 / / ad3fb5
这项研究由美国国家科学基金会、加州理工学院华莱士·l·w·萨金特研究生奖学金、钱德拉x射线中心、美国-以色列两国科学基金会、以色列科技部、AtLAST(阿塔卡马大口径亚毫米望远镜)项目和国家人文科学委员会(Technologías)资助。
