חומר אפל מתנגד לציפיות: מהירויות מפתיעות נחשפו בהתנגשות מונומנטלית של אשכול גלקסיות

אסטרונומים צפו בהתנגשות ייחודית בין שני צבירי גלקסיות, וחשפו כיצד חומר אפל וחומר רגיל נפרדים במהלך מפגשים כאלה.

באמצעות שילוב של טלסקופים מתקדמות וטכניקות תצפית, כולל אפקט SZ, חוקרים עקבו אחר המהירויות המנותקות של החומר האפל והנורמלי. המחקר משפר את הבנתנו את טבעו המסתורי של החומר האפל ומכין את הבמה למחקר עתידי.

ניתוק חומר אפל באשכולות גלקסיות

אסטרונומים פיתרו התנגשות מבולגנת בין שני צבירי גלקסיות מסיביים שבהם ענני החומר האפל של הצבירים התנתקו מהחומר הרגיל כביכול. שני הצבירים מכילים כל אחד אלפי גלקסיות וממוקמים במרחק של מיליארדי שנות אור מכדור הארץ. כשהם חרשו זה את זה, החומר האפל – חומר בלתי נראה שמרגיש את כוח הכבידה אך לא פולט אור – הקדים את החומר הרגיל. התצפיות החדשות הן הראשונות לחקור ישירות את ניתוק מהירויות החומר האפל והנורמלי.

צבירי גלקסיות, המודבקים זה לזה בכוח הכבידה, הם בין המבנים הגדולים ביקום. רק 15 אחוז מהמסה בצבירים כאלה הוא חומר רגיל, אותו חומר שמרכיב כוכבי לכת, אנשים וכל מה שאתה רואה סביבך. מהחומר הרגיל הזה, הרוב המכריע הוא גז חם, בעוד השאר כוכבים וכוכבי לכת. 85 האחוזים הנותרים ממסת הצביר הם חומר אפל.

האנימציה של אמן זה מתארת ​​התנגשות בין שני צבירי גלקסיות מסיביים. ככל שההתנגשות מתקדמת, החומר האפל בצבירי הגלקסיות (כחול) נע לפני העננים הקשורים של גז חם, או חומר רגיל (כתום). קרדיט אנימציה: מצפה הכוכבים WM Keck/אדם מקרנקו

דינמיקת התנגשות ואינטראקציה בחומר

במהלך ההתגוששות שהתרחשה בין הצבירים, המכונה קולקטיביות MACS J0018.5+1626, הגלקסיות האינדיבידואליות עצמן לא נפגעו במידה רבה מכיוון שקיים כל כך הרבה מרחב ביניהן. אבל כאשר מאגרי הגז העצומים בין הגלקסיות (החומר הרגיל) התנגשו, הגז נעשה סוער והתחמם. בעוד שכל החומר, כולל גם החומר הרגיל וגם החומר האפל, מקיים אינטראקציה באמצעות כוח הכבידה, החומר הרגיל מקיים אינטראקציה באמצעות אלקטרומגנטיות, מה שמאט אותו במהלך התנגשות. לכן, בעוד החומר הרגיל תקוע, בריכות החומר האפל בתוך כל מקבץ הפליגו דרכן.

תחשוב על התנגשות מסיבית בין משאיות מזבלה מרובות הנושאות חול, מציעה אמילי סיליך, המחברת הראשית של מחקר חדש המתאר את הממצאים ב ה כתב עת אסטרופיזי. "החומר האפל הוא כמו החול ועף קדימה." סיליך הוא סטודנט לתואר שני שעובד עם ג'ק סיירס, פרופסור מחקר לפיזיקה ב-Caltech וחוקר ראשי של המחקר.

מתודולוגיית מחקר ותובנות תצפיתיות

התגלית התגלתה באמצעות נתונים ממצפה הכוכבים של Caltech Submillimeter (שהוסר לאחרונה מאתרו במאונקיאה בהוואי ויועבר לצ'ילה), מצפה הכוכבים WM Keck במאונקיאה, נאס"אמצפה הכוכבים לרנטגן צ'אנדרה, של נאס"א טלסקופ החלל האבלה סוכנות החלל האירופיתמצפה החלל הרשל ומצפה הכוכבים של פלאנק (שמרכזי המדע המזוהים שלו של נאס"א) שיצאו לגמלאות של ה-IPAC של Caltech, וניסוי טלסקופ תת-מילימטר אטקמה בצ'ילה. חלק מהתצפיות נעשו לפני עשרות שנים, בעוד הניתוח המלא באמצעות כל מערכי הנתונים התרחש במהלך השנים האחרונות.

ניתוח השוואתי עם אשכול הכדורים

ניתוק כזה של חומר אפל ונורמלי כבר נראה בעבר, המפורסם ביותר באשכול הכדורים. בהתנגשות זו ניתן לראות את הגז החם מפגר בבירור מאחורי החומר האפל לאחר ששני צבירי הגלקסיות ירו זה דרך זה. המצב שהתרחש ב-MACS J0018.5+1626 (המכונה בהמשך MACS J0018.5) דומה, אך הכיוון של המיזוג מסובב, בערך 90 מעלות ביחס לזה של ה- Bullet Cluster. במילים אחרות, אחד מהצבירים המסיביים ב-MACS J0018.5 טס כמעט ישר לכיוון כדור הארץ בעוד השני ממהר משם. התמצאות זו העניקה לחוקרים נקודת תצפית ייחודית שממנה, בפעם הראשונה, למפות את מהירות החומר האפל והחומר הרגיל ולהבהיר כיצד הם מתנתקים זה מזה במהלך התנגשות של צביר גלקסיות.

"עם ה- Bullet Cluster, זה כאילו אנחנו יושבים ביציע וצופים במירוץ מכוניות ומסוגלים לצלם תמונות יפות של המכוניות הנעות משמאל לימין במיידי", אומר סיירס. "במקרה שלנו, זה יותר כאילו אנחנו במיידי עם אקדח מכ"ם, עומדים מול מכונית כשהיא מגיעה אלינו ומסוגלים להשיג את המהירות שלה".

מדידת מהירויות חומר באמצעות אפקט SZ

כדי למדוד את מהירות החומר הרגיל, או הגז, בצביר, החוקרים השתמשו בשיטת תצפית המכונה אפקט Sunyaev-Zel'dovich (SZ) הקינטי. סיירס ועמיתיו ביצעו את הזיהוי התצפיתי הראשון של השפעת ה-SZ הקינטית על עצם קוסמי בודד, צביר גלקסיות בשם MACS J0717, עוד בשנת 2013, תוך שימוש בנתונים מ-CSO (התצפיות הראשונות של אפקט SZ שנלקחו ב-MACS J0018.5 מתוארכות ל 2006).

אפקט ה-SZ הקינטי מתרחש כאשר פוטונים מהיקום המוקדם, רקע המיקרוגל הקוסמי (CMB), מפזרים אלקטרונים בגז חם בדרכם אלינו על פני כדור הארץ. הפוטונים עוברים תזוזה, הנקראת תזוזת דופלר, עקב תנועות האלקטרונים בענני הגז לאורך קו הראייה שלנו. על ידי מדידת השינוי בבהירות של CMB עקב שינוי זה, החוקרים יכולים לקבוע את מהירות ענני הגז בתוך צבירי גלקסיות.

קטע שיר זה, שנכתב על ידי אמילי סיליך, סטודנטית לתואר שני בקלטק באסטרונומיה, נוצר בהשראת מחקריה על התנגשויות בין צבירי גלקסיות מסיביים. למעשה, היא כתבה את זה במהלך השעות הרבות בזמן שהניתוח שלה של סימולציות של התנגשויות צבירי גלקסיות רץ על מאות ליבות מחשב.

t = אפס:
חלקיקים מאותחלים,
גז מוגדר כאוויר.

דיפולים מנוגדים
חוצה כמו נשימה סוערת
ללא ההתנגשויות שלו.

בצבע מאגמה,
ניתוק מעצמו פנימה
פיתולים סוערים

מהתלות.
עניין של זיכרון
לא חיוני עבור

עידנים המוגדרים על ידי
זמן מה בתוך אחר;
חלוף מקביל.

השיר המלא פורסם כחלק מאוסף ב- אנתולוגיה של סקירת שירה של Altadena.

תפקידם של מצפי כוכבים מתקדמים וצפי עתידי

"אפקטי Sunyaev-Zeldovich היו עדיין כלי תצפית חדש מאוד כשג'ק ואני הפכנו לראשונה מצלמה חדשה ב-CSO על צבירי גלקסיות ב-2006, ולא היה לנו מושג שיהיו תגליות כאלה", אומר סוניל גולוואלה, פרופסור פיסיקה ויועצת דוקטורט בפקולטה של ​​סיליך. "אנחנו מצפים לשלל הפתעות חדשות כשאנחנו שמים מכשירי הדור הבא על הטלסקופ בביתו החדש בצ'ילה".

עד 2019, החוקרים ביצעו את מדידות ה-SZ הקינטיות הללו במספר צבירי גלקסיות, שסיפרו להם את מהירות הגז, או החומר הרגיל. הם גם השתמשו ב-Keck כדי ללמוד את מהירות הגלקסיות בצביר, מה שסיפר להם באמצעות פרוקסי את מהירות החומר האפל (מכיוון שהחומר האפל והגלקסיות מתנהגים באופן דומה במהלך ההתנגשות). אבל בשלב זה של המחקר, לצוות הייתה הבנה מוגבלת של כיוון האשכולות. הם רק ידעו שאחד מהם, MACS J0018.5, הראה סימנים של משהו מוזר קורה – הגז החם, או החומר הרגיל, נע בכיוון ההפוך לחומר האפל.

אתגרים ופריצות דרך בהבנת החומר האפל

"היה לנו את הכדור המוזר הזה עם מהירויות בכיוונים מנוגדים, ובהתחלה חשבנו שזו יכולה להיות בעיה עם הנתונים שלנו. אפילו הקולגות שלנו שמדמים צבירי גלקסיות לא ידעו מה קורה", אומר סיירס. "ואז אמילי הסתבכה והתירה הכל."

במסגרת עבודת הדוקטורט שלה, סיליך התמודדה עם החידה של MACS J0018.5. היא פנתה לנתונים ממצפה רנטגן צ'אנדרה כדי לחשוף את הטמפרטורה והמיקום של הגז בצברים וכן את מידת הזעזוע של הגז. "התנגשויות מקבץ אלו הן התופעות האנרגטיות ביותר מאז המפץ הגדול", אומר סיליך. "צ'נדרה מודדת את הטמפרטורות הקיצוניות של הגז ומספרת לנו על גיל המיזוג וכיצד לאחרונה התנגשו האשכולות". הצוות גם עבד עם עדי זיטרין מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב בישראל כדי להשתמש בנתוני האבל כדי למפות את החומר האפל בשיטה המכונה עדשות כבידה.

בנוסף, ג'ון ZuHone מהמרכז לאסטרופיזיקה בהרווארד וסמית'סוניאן עזר לצוות לדמות את פיצוץ האשכולות. סימולציות אלו שימשו בשילוב עם נתונים מהטלסקופים השונים כדי לקבוע בסופו של דבר את הגיאומטריה והשלב האבולוציוני של המפגש עם הצביר. המדענים גילו שלפני ההתנגשות, הצבירים נעו זה לעבר זה במהירות של כ-3,000 קילומטרים לשנייה, השווה בערך לאחוז אחד ממהירות האור.

עם תמונה מלאה יותר של המתרחש, החוקרים הצליחו להבין מדוע נראה שהחומר האפל והחומר הרגיל נעים בכיוונים מנוגדים. למרות שהמדענים אומרים שקשה לדמיין את זה, כיוון ההתנגשות, יחד עם העובדה שהחומר האפל והחומר הרגיל נפרדו זה מזה, מסבירים את מדידות המהירות המוזרות.

מסקנה וכיווני מחקר עתידיים

בעתיד, החוקרים מקווים שמחקרים נוספים כמו זה יובילו לרמזים חדשים לגבי הטבע המסתורי של החומר האפל. "מחקר זה הוא נקודת מוצא למחקרים מפורטים יותר על טבעו של החומר האפל", אומר סיליך. "יש לנו סוג חדש של בדיקה ישירה שמראה כיצד חומר אפל מתנהג בצורה שונה מחומר רגיל."

סיירס, שמזכיר לראשונה שאסף את נתוני ה-CSO על האובייקט הזה לפני כמעט 20 שנה, אומר, "לקח לנו הרבה זמן לחבר את כל חלקי הפאזל, אבל עכשיו אנחנו סוף סוף יודעים מה קורה. אנו מקווים שזה יוביל לדרך חדשה לגמרי לחקור חומר אפל באשכולות."

המחקר מומן על ידי הקרן הלאומית למדע, מלגת בוגר וולאס LW Sargent ב-Caltech, מרכז רנטגן צ'אנדרה, קרן המדע הדו-לאומית של ארצות הברית-ישראל, משרד המדע והטכנולוגיה בישראל, ה-AtLAST (Atacama Large Aperture פרויקט Submillimeter Telescope), ו-Consejo Nacional de Humanidades Ciencias y Technologías.