天文学家解读了两个巨大星系团之间复杂的碰撞，其中巨大的暗物质云已经与常规物质分离。
天文学家解读了两个巨大星系团之间复杂的碰撞，其中巨大的暗物质云已经与常规物质分离。这两个星系团各自拥有数千个星系，位于距离地球数十亿光年的地方。在碰撞中，暗物质——一种不可见、会响应引力，但不产生光的物质——领先于常规物质。这些新发现标志着科学家们首次直接研究暗物质和常规物质速度的脱耦。
星系团是宇宙中最大的结构之一，由引力绑定在一起。这些星系团中只有15％的总质量由常规物质组成，包括从行星到生物的一切。这部分常规物质大多以热气体的形式存在，剩下的包括恒星和行星。其余85％则由暗物质构成。
在这次碰撞中，统称为MACS J0018.5+1626，单个星系大多未受损害，因为它们之间距离遥远。然而，星系之间的巨大气体云（常规物质）发生碰撞，变得动荡且高度加热。尽管常规物质和暗物质都会受到引力的影响，但常规物质也受到电磁力的影响，这在碰撞中减缓了它的速度。因此，当常规物质落后时，暗物质则向前冲。
该研究的主要作者艾米莉·西利奇将这次碰撞比作多辆装满沙子的自卸卡车发生碰撞：“暗物质就像向前飞射的沙子。”西利奇是一名研究生，与加州理工学院的研究教授杰克·赛耶斯合作，该研究的主要调查人员。
这一发现利用了来自多个来源的观察数据，包括最近从夏威夷的毛纳基亚搬迁至智利的加州理工学院亚毫米波天文台、W.M.科克天文台、NASA的钱德拉X射线天文台、NASA的哈勃太空望远镜、现已退役的欧空局赫歇尔空间天文台、普朗克天文台（其附属的NASA科学中心位于加州理工学院的IPAC）和智利阿塔卡马亚毫米波望远镜实验。一些观察数据可追溯到几十年前，而使用所有数据集进行的完整分析已在过去几年内进行。
这种暗物质与常规物质的分离以前也曾被观察到，最显著的是子弹星系团。在那次事件中，炽热的气体在两个星系团相互经过后，可以明显看到它落后于暗物质。MACS J0018.5中的事件类似，但合并的角度相比于子弹星系团旋转了大约90度。在这种情况下，MACS J0018.5中的一个巨大星系团几乎直面地球，而另一个则正在后退。这一独特视角使研究人员首次能够绘制星系团碰撞期间暗物质和常规物质的速度。
赛耶斯解释道：“在子弹星系团的情况下，就好像我们在旁观一场刺激的比赛，捕捉到沿着一条直线车子左右移动的美丽照片。在我们的场景中，这就像站在同一条路上，手握雷达枪，面对着一辆向我们驶来的车，让我们能够测定其速度。”
为了评估星系团内常规物质或气体的速度，研究人员利用了一种称为动能Sunyaev-Zel’dovich（SZ）效应的技术。2013年，赛耶斯和他的团队首次利用来自CSO的数据对特定宇宙物体——星系团MACS J0717进行了动能SZ效应的观测检测。MACS J0018.5最初的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（称为宇宙微波背景辐射CMB）在向地球移动时，与热气体中的电子碰撞。由于这些电子沿我们的视线方向移动，光子经历了多普勒移动。通过观察这种偏移导致的CMB亮度变化，科学家可以计算星系团内气体云的速度。
西尼尔·戈尔瓦拉，西利奇的博士生导师，物理学教授表示：“当杰克和我在2006年首次在CSO上对星系团聚焦新相机时，Sunyaev-Zeldovich效应仍然是一个非常新的观察技术，我们完全未曾预想到会有这样的发现。我们期待着新仪器在智利新位置上安装后带来更多的新发现。”
到2019年，研究人员已经对多个星系团进行了动能SZ测量，帮助他们确定气体（常规物质）的速度。他们还利用科克的数据估算星系团中星系的速度，作为暗物质速度的代理（考虑到在碰撞中行为的相似性）。然而，在这一阶段，研究人员对星系团的朝向了解有限，只知道其中一个星系团MACS J0018.5表现出异常行为——高度气体或常规物质似乎朝着与暗物质相反的方向移动。
赛耶斯分享道：“最初，我们对这些以相反方向移动的奇怪速度感到困惑，以为这可能是我们数据的问题。甚至我们的同事在模拟星系团方面也对此不确定。”他说：“然后艾米莉参与进来，揭开了这个谜团。”
作为她博士研究的一部分，西利奇研究了与MACS J0018.5相关的难题数据。她分析了来自钱德拉X射线天文台的数据，以揭示星系团内气体的温度和位置以及气体经历冲击的程度。西利奇表示：“这些星系团的碰撞是自大爆炸以来能量最强的事件。” “钱德拉测量气体的极端温度，提供了合并的年龄以及星系团最近发生碰撞的情况。”该团队还与来自以色列本·古里昂大学的阿迪·齐特林合作，利用哈勃的数据通过引力透镜技术绘制暗物质的图像。
此外，哈佛与史密森天体物理中心的约翰·祖霍恩协助团队模拟星系团碰撞。这些模拟与来自各种望远镜的数据结合在一起，最终勾画出星系团相遇的几何形状和演化状态。研究人员了解到，在碰撞之前，星系团彼此以大约每秒3000公里的速度朝向对方移动，约为光速的百分之一。通过这一更清晰的理解，他们能够推断出为何常规物质和暗物质似乎朝着不同的路径移动。尽管很难想象，但碰撞的角度和两种物质的分离解释了意外的速度读数。
展望未来，研究人员希望进一步开展类似的研究，以提供有关暗物质神秘特性的新的见解。西利奇表示：“这项研究为更深入探索暗物质的特征奠定了基础。我们现在拥有了一种新的直接方法，展示了暗物质与常规物质的不同表现。”
赛耶斯回忆起近20年前收集关于这个主题的CSO数据，感慨道：“拼凑所有信息花费了很长时间，但现在我们终于理解了这个场景。我们希望这能推动一种全新的研究暗物质在星系团中的方法。”
这项名为“ICM-SHOX：论文 I：方法论概述和MACS J0018.5+1626合并中气体-暗物质速度脱耦的发现”的研究，获得了国家科学基金会、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-以色列双边科学基金会、以色列科技部、AtLAST项目（阿塔卡马大孔径亚毫米波天文望远镜）以及国家人文科学、科技委员会的资助。
