Astronomen zien ontkoppeling van donkere en normale materie bij botsing van twee sterrenstelsels
De twee clusters van sterrenstelsels, bekend als MAC J0018.5+1626, bevatten elk duizenden sterrenstelsels en bevinden zich miljarden lichtjaren van de Aarde. Terwijl ze door elkaar heen ploegden, snelde de donkere materie de normale materie voorbij.
Fusies van sterrenstelsels zijn rijke bronnen van informatie om de astrofysica en kosmologie van sterrenstelsels te testen. Fusies van sterrenstelsels produceren echter complexe geprojecteerde signalen die moeilijk fysiek te interpreteren zijn vanuit afzonderlijke observatiesondes.
“Denk aan een enorme botsing tussen meerdere kiepwagens die zand vervoeren. De donkere materie is als het zand en vliegt vooruit”, aldus Emily Silich, astronoom bij Caltech en het Harvard & Smithsonian’s Center for Astrophysics.
Een dergelijke ontkoppeling van donkere en normale materie is eerder waargenomen, het meest bekend in de “Bullet Cluster”. Bij die botsing is duidelijk te zien dat het hete gas achter de donkere materie aanloopt nadat de twee sterrenstelselclusters door elkaar heen zijn geschoten.
De situatie die plaatsvond in MACS J0018.5+1626 is vergelijkbaar, maar de oriëntatie van de samensmelting is gedraaid, ongeveer 90° ten opzichte van die van de Bullet Cluster.
Met andere woorden, een van de enorme clusters in MACS J0018.5+1626 vliegt bijna recht op de Aarde af, terwijl de andere wegsnelt.
Die oriëntatie gaf onderzoekers een uniek uitkijkpunt van waaruit ze voor het eerst de snelheid van zowel de donkere materie als de normale materie in kaart konden brengen en konden verduidelijken hoe ze zich van elkaar loskoppelen tijdens een botsing van een sterrenstelselcluster.
“Met de Bullet Cluster is het alsof we op een tribune zitten en naar een autorace kijken en prachtige momentopnamen kunnen maken van de auto’s die van links naar rechts op het rechte stuk rijden”, aldus de onderzoekers.
“In dit geval is het meer alsof we op het rechte stuk staan met een radarkanon en voor een auto staan die op ons afkomt en waarvan we de snelheid kunnen meten.”
Om de snelheid van de normale materie, of gas, in de cluster te meten, gebruikten de astronomen een observatiemethode die bekendstaat als het kinetische Sunyaev-Zel’dovich (SZ)-effect.
Ze deden de eerste observationele detectie van het kinetische SZ-effect op een individueel kosmisch object, een cluster van sterrenstelsels genaamd MACS J0717, in 2013.
Het kinetische SZ-effect treedt op wanneer fotonen uit het vroege heelal, de kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB), elektronen in heet gas verstrooien op weg naar de Aarde.
De fotonen ondergaan een verschuiving, een zogenaamde Dopplerverschuiving, vanwege de bewegingen van de elektronen in de gaswolken langs onze gezichtslijn.
Door de verandering in helderheid van de CMB te meten als gevolg van deze verschuiving, kunnen astronomen de snelheid van gaswolken binnen clusters van sterrenstelsels bepalen.
In 2019 hadden de auteurs van dit onderzoek deze kinetische SZ-metingen uitgevoerd in verschillende clusters van sterrenstelsels, die hen de snelheid van het gas, of normale materie, vertelden.
Ze maten ook de snelheid van de sterrenstelsels in de cluster, die hen bij volmacht de snelheid van de donkere materie vertelde.
Maar in dit stadium van het onderzoek hadden ze een beperkt begrip van de oriëntatie van de clusters.
Ze wisten alleen dat een van hen, MACS J0018.5+1626, tekenen vertoonde van iets vreemds: het hete gas, of normale materie, bewoog in de tegenovergestelde richting van de donkere materie.
“We hadden deze complete vreemde eend in de bijt met snelheden in tegenovergestelde richtingen en in eerste instantie dachten we dat het een probleem met onze data zou kunnen zijn”, aldus de onderzoekers.
De wetenschappers wendden zich vervolgens dat data van de Chandra röntgentelescoop van de NASA om de temperatuur en locatie van het gas in de clusters te onthullen, evenals de mate waarin het gas werd geschokt.
Deze botsingen van clusters zijn de meest energetische verschijnselen sinds de oerknal. Chandra meet de extreme temperaturen van het gas en vertelt over de leeftijd van de fusie en hoe recent de clusters botsten.
De auteurs ontdekten dat de clusters vóór de botsing met ongeveer 3000 km/s naar elkaar toe bewogen, wat ongeveer gelijk is aan 1% van de lichtsnelheid.
Met een completer beeld van wat er gebeurde konden ze achterhalen waarom de donkere materie en normale materie in tegengestelde richtingen leken te bewegen.
Hoewel ze zeggen dat het moeilijk is te visualiseren, verklaart de oriëntatie van de botsing, in combinatie met het feit dat donkere materie en normale materie van elkaar gescheiden waren, de vreemde snelheidsmetingen.
In de toekomst hopen ze dat meer studies zoals deze zullen leiden tot nieuwe aanwijzingen over de mysterieuze aard van donkere materie.
Dit onderzoek is een startpunt voor meer gedetailleerde studies naar de aard van donkere materie, aldus de onderzoekers.
De bevindingen zijn in de Astrophysical Journal gepubliceerd.
Artikel: Emily M. Silich et al. 2024. ICM-SHOX. I. Methodology Overview and Discovery of a Gas-Dark Matter Velocity Decoupling in the MACS J0018.5+1626 Merger. ApJ 968, 74; doi: 10.3847/1538-4357/ad3fb5
Eerste publicatie: 2 augustus 2024
Bron: sci-news
