巨型星系团碰撞中暗物质领先于正常物质

Josiah01

　　天文学家解开了两个巨大星系团之间混乱的碰撞，星系团中巨大的暗物质云与所谓的正常物质分离。这两个星系团各包含数千个星系，距离地球数十亿光年。
　　当它们相互碰撞时，暗物质（一种能感受到引力但不发光的隐形物质）的速度超过了正常物质。新的观测首次直接探测了暗物质和正常物质速度的分离。
　　星系团是宇宙中最大的结构之一，由引力粘合在一起。此类星系团中只有 15% 的质量是正常物质，也就是构成行星、人类以及您周围所见一切的物质。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。星系团质量的其余 85% 是暗物质。
　　在星系团（统称为 MACS J0018.5+1626）之间的争斗中，单个星系本身基本未受伤害，因为它们之间存在很大的空间。但当星系之间的大量气体（正常物质）发生碰撞时，气体变得湍急且过热。
　　虽然所有物质（包括正常物质和暗物质）都通过引力相互作用，但正常物质也通过电磁相互作用，电磁会在碰撞过程中减慢正常物质的速度。因此，当正常物质陷入困境时，每个团簇内的暗物质池都会继续前行。
　　想象一下多辆载着沙子的自卸卡车之间发生的大规模碰撞，艾米丽·西利奇（Emily Silich）建议道，她是《天体物理学杂志》上一项描述该研究结果的新研究的主要作者。“暗物质就像沙子一样，飞在前面，”她说。西利奇是一名研究生，与加州理工学院物理学研究教授兼这项研究的首席研究员杰克·塞耶斯一起工作。
　　这项发现是利用加州理工学院亚毫米波天文台（最近从夏威夷莫纳克亚山迁出，将迁往智利）、莫纳克亚山的 WM 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、欧洲航天局现已退役的赫歇尔太空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）以及智利的阿塔卡马亚毫米波望远镜实验的数据得出的。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。
　　这种暗物质和正常物质的分离以前也曾出现过，最著名的是子弹星系团。在那次碰撞中，当两个星系团相互穿过时，可以清楚地看到热气体落后于暗物质。MACS J0018.5+1626（以下称为 MACS J0018.5）中发生的情况类似，但合并的方向旋转了，相对于子弹星系团的方向大约旋转了 90 度。
　　换句话说，MACS J0018.5 中的一个大质量星系团几乎笔直地飞向地球，而另一个星系团则飞离地球。这种方向为研究人员提供了一个独特的有利位置，使他们能够首次绘制出暗物质和正常物质的速度图，并阐明它们在星系团碰撞过程中如何相互分离。
　　“有了 Bullet Cluster，我们就像是坐在看台上观看赛车比赛，能够捕捉到赛车在直道上从左到右行驶的精彩瞬间，”Sayers 说道。“对我们来说，这更像是在直道上拿着雷达枪，站在迎面驶来的赛车前面，能够测量出它的速度。”
　　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称为动力学 Sunyaev-Zel'dovich (SZ) 效应的观测方法。Sayers 和他的同事于 2013 年利用 CSO 的数据首次对单个宇宙物体（名为 MACS J0717 的星系团）进行了动力学 SZ 效应的观测探测（首次对 MACS J0018.5 进行的 SZ 效应观测可追溯到 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 (CMB)）在向地球移动的过程中散射热气体中的电子时。由于气体云中电子沿我们的视线运动，光子会发生偏移，称为多普勒频移。通过测量由于这种偏移而导致的 CMB 亮度变化，研究人员可以确定星系团内气体云的速度。
　　“2006 年，当杰克和我第一次在 CSO 上使用新相机观察星系团时，苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应仍然是一种非常新的观测工具，我们根本不知道会有这样的发现，”物理学教授兼西利奇的博士生导师苏尼尔·戈尔瓦拉 (Sunil Golwala) 说。
　　“当我们在智利的新家将下一代仪器安装到望远镜上时，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力学 SZ 测量，从而了解了气体或正常物质的速度。他们还利用凯克了解了星系团中星系的速度，从而间接了解了暗物质的速度（因为暗物质和星系在碰撞过程中的行为相似）。
　　但研究的这个阶段，团队对星系团的方向了解有限。他们只知道其中一个星系团 MACS J0018.5 出现了一些奇怪的迹象——热气体，或者说正常物质，正朝着与暗物质相反的方向运动。
　　“我们发现了一个完全奇怪的现象，速度方向相反，起初我们认为这可能是数据的问题。甚至我们模拟星系团的同事也不知道发生了什么，”塞耶斯说。“后来艾米莉参与进来，解开了所有谜团。”
　　在西里奇的博士论文中，她解决了 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团中气体的温度和位置，以及气体受到冲击的程度。
　　“这些星系团碰撞是自大爆炸以来最剧烈的现象，”西里奇说道。“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系团碰撞的时间。”
　　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，利用哈勃数据，通过一种称为引力透镜的方法绘制暗物质图。
　　此外，哈佛和史密森尼天体物理中心的约翰·祖霍尼 (John ZuHone) 帮助团队模拟了星团碰撞。这些模拟结果与来自各个望远镜的数据相结合，最终确定了星团碰撞的几何形状和演化阶段。科学家们发现，在碰撞之前，星团以大约 3000 公里/秒的速度相互靠近，相当于光速的大约 1%。
　　有了更完整的画面，研究人员能够弄清楚为什么暗物质和正常物质似乎朝相反的方向运动。尽管科学家说这很难想象，但碰撞的方向，加上暗物质和正常物质彼此分离的事实，解释了奇怪的速度测量结果。
　　未来，研究人员希望更多类似的研究能够为揭开暗物质神秘本质提供新的线索。
　　“这项研究是更详细研究暗物质本质的起点，”西里奇说。“我们有一种新型的直接探测器，可以显示暗物质的行为与正常物质有何不同。”
　　塞耶斯回忆起 20 年前首次收集该物体的 CSO 数据，他说：“我们花了很长时间才把所有谜题拼凑起来，但现在我们终于知道发生了什么。我们希望这能为研究团簇中的暗物质开辟一条全新的道路。”