Hubble zagląda w serce zderzających się gromad galaktyk

NASA opublikowała nowe zdjęcie gromady galaktyk CL0016+1609 (znanej też jako MACS J0018.5+1626), na którym widać niezwykle energetyczne zderzenie dwóch ogromnych gromad – dokładnie na naszej linii widzenia.
To jeden z najlepiej przebadanych układów w promieniach rentgenowskich i radiowych, a teraz dane z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a pozwalają precyzyjniej zmapować rozkład ciemnej materii dzięki zjawisku soczewkowania grawitacyjnego.
Takie kosmiczne karambole są dla astronomów naturalnymi laboratoriami: pokazują, jak ciemna i zwykła materia zachowują się podczas zderzeń, i pomagają badać wielkoskalową strukturę Wszechświata.

Kosmiczne zderzenie na naszej linii widzenia

CL0016+1609/MACS J0018.5+1626 to układ dwóch masywnych gromad galaktyk zawierających łącznie tysiące galaktyk, położony miliardy lat świetlnych od Ziemi.
Obserwacje w promieniach rentgenowskich pokazały, że widoczny jeden obiekt jest w rzeczywistości parą gromad w trakcie zderzenia, przy czym ruch odbywa się głównie wzdłuż naszej linii widzenia – jedna gromada leci ku nam, druga od nas się oddala.

To zderzenie jest tak energetyczne, że rozgrzany gaz wewnątrz gromad świeci intensywnie w promieniach X, co zwróciło uwagę astronomów już wcześniej.
Teraz Hubble, korzystając z kamery Advanced Camera for Surveys (ACS) i Wide Field Camera 3, dostarczył głębokich obrazów w świetle widzialnym i podczerwonym, które pozwalają badać zarówno galaktyki gromady, jak i subtelne efekty soczewkowania grawitacyjnego.

Jak Hubble waży niewidzialne

Ciemnej materii nie da się zobaczyć bezpośrednio, ale jej grawitacja zakrzywia światło od odległych galaktyk tła, tworząc charakterystyczne łuki i zniekształcone obrazy – to właśnie soczewkowanie grawitacyjne.
Na zdjęciu Hubble’a z CL0016+1609 widać słabe, wyciągnięte łuki tuż obok jasnych galaktyk eliptycznych w centrum gromady; są to soczewkowane obrazy bardzo odległych galaktyk, których kształty pozwalają odtworzyć rozkład masy, w tym ciemnej materii.

Część danych wykorzystanych w tym obrazie pochodzi także z programu RELICS (Reionization Lensing Cluster Survey), w ramach którego Hubble uzyskał pierwsze obrazy podczerwone 46 masywnych gromad galaktyk i odkrył około 300 kandydatów na bardzo odległe galaktyki soczewkowane przez te układy.
CL0016+1609 jest jednym z takich kosmicznych teleskopów, które dzięki swojej masie wzmacniają obraz galaktyk z bardzo wczesnego Wszechświata i pomagają badać epokę rejonizacji.

Ciemna materia kontra zwykły gaz

Zderzające się gromady galaktyk są kluczowe, gdy chodzi o rozdzielenie ról ciemnej i zwykłej materii.
W słynnej Gromadzie Pocisk (Bullet Cluster) oraz w podobnym układzie MACS J0025.4−1222 zaobserwowano, że większość masy – przypisywana ciemnej materii – wyprzedza jasny, gorący gaz, który zostaje spowolniony przez opór i zderzenia cząstek, co jest silnym argumentem za istnieniem ciemnej materii jako odrębnej składnik Wszechświata.

W przypadku CL0016+1609 geometria jest inna: zderzenie odbywa się niemal wzdłuż naszej linii widzenia, ale efekt fizyczny jest podobny – normalna materia (gaz) i ciemna materia zaczynają rozjeżdżać się względem siebie.
Niedawna analiza w ramach projektu ICM‑SHOX pokazała, że w tym układzie udało się po raz pierwszy jednocześnie zmapować prędkości gazu (normalnej materii) i ciemnej materii, wykorzystując połączenie efektu kinetycznego Siuniajewa‑Zeldowicza, obserwacji rentgenowskich i danych soczewkowania grawitacyjnego.

Z rekonstrukcji wynika, że przed zderzeniem obie gromady zbliżały się do siebie z prędkościami rzędu około 3000 kilometrów na sekundę, czyli około 1 procenta prędkości światła.
Podczas zderzenia gaz został silnie spowolniony i podgrzany, podczas gdy ciemna materia mogła niemal swobodnie przejść przez drugą gromadę, co prowadzi do wyraźnego oddzielenia ruchu obu składników.

Naturalny zderzacz dla cząstek ciemnej materii

Kolizje gromad galaktyk są tak energetyczne, że bywają nazywane naturalnymi zderzaczami cząstek ciemnej materii, uzupełniającymi eksperymenty prowadzone na Ziemi.
Symulacje hydrodynamiczne i obserwacje szeregu zderzających się gromad z reliktami radiowymi pokazują, że takie układy pozwalają badać, czy cząstki ciemnej materii zderzają się ze sobą (tzw. ciemna materia samooddziałująca), i nakładać ograniczenia na przekrój czynny tych zderzeń.

CL0016+1609, dzięki dobrze poznanej geometrii zderzenia i jednoczesnym pomiarom rozkładu masy (z soczewkowania), gorącego gazu (z promieniowania X) oraz prędkości gazu (z efektu Siuniajewa‑Zeldowicza), staje się jednym z kluczowych poligonów doświadczalnych dla takich badań.
W połączeniu z innymi gromadami w zderzeniu, jak El Gordo czy układy z podwójnymi reliktami radiowymi, astronomowie mogą tworzyć statystyczne próby, które pozwolą lepiej zawęzić własności ciemnej materii i sprawdzić, na ile zgodna jest ona z przewidywaniami standardowego modelu kosmologicznego ΛCDM.

Co dalej?

Nowe zdjęcie Hubble’a to dopiero początek – dane z CL0016+1609 będą łączone z obserwacjami Chandra X‑ray Observatory, radiowymi mapami strumieni i reliktów radiowych oraz z coraz lepszymi symulacjami numerycznymi całych zderzeń.
W przyszłości podobne układy będą też badane przez nowe obserwatoria rentgenowskie i radiowe, a lepsze modele soczewkowania pozwolą jednocześnie korzystać z nich jako kosmicznych teleskopów do poszukiwania najdalszych galaktyk i jako eksperymentów doświadczalnych nad naturą ciemnej materii.

---

Źródła

GŁÓWNE ŹRÓDŁO:

• NASA / ESA / Hubble, Hubble Glimpses Merging Galaxy Clusters – CL0016+1609 / MACS J0018.5+1626

Źródła kontekstowe:

• NASA, A Clash of Clusters Provides New Clue to Dark Matter,
• Chandra X‑ray Observatory, materiał edukacyjny o Gromadzie Pocisku – bezpośredni dowód na istnienie ciemnej materii,
• Sci.News, Astronomers See Decoupling of Dark and Normal Matter in Collision… MACS J0018.5+1626 (ICM‑SHOX I),
• Artykuły przeglądowe o zderzających się gromadach galaktyk i radio‑reliktach (np. weak‑lensing characterization of merging clusters with radio relics).

Opracowanie: Agnieszka Nowak