Astrônomos observaram uma colisão única entre dois aglomerados de galáxias, revelando como a matéria escura e a matéria normal se separam durante esses encontros.
Usando uma combinação de telescópios avançados e técnicas observacionais, incluindo o efeito SZ, pesquisadores rastrearam as velocidades desacopladas da matéria escura e normal. O estudo aprimora nossa compreensão da natureza misteriosa da matéria escura e prepara o cenário para pesquisas futuras.
Desacoplamento da matéria escura em aglomerados de galáxias
Astrônomos desvendaram uma colisão confusa entre dois aglomerados massivos de galáxias em que as vastas nuvens de matéria escura dos aglomerados se desacoplaram da chamada matéria normal. Os dois aglomerados contêm milhares de galáxias e estão localizados a bilhões de anos-luz de distância da Terra. À medida que se atravessavam, a matéria escura — uma substância invisível que sente a força da gravidade, mas não emite luz — acelerou à frente da matéria normal. As novas observações são as primeiras a sondar diretamente o desacoplamento das velocidades da matéria escura e normal.
Colados pela força da gravidade, os aglomerados de galáxias estão entre as maiores estruturas do universo. Apenas 15% da massa em tais aglomerados é matéria normal, a mesma matéria que compõe planetas, pessoas e tudo o que você vê ao seu redor. Dessa matéria normal, a grande maioria é gás quente, enquanto o resto são estrelas e planetas. Os 85% restantes da massa do aglomerado são matéria escura.
Esta animação artística descreve uma colisão entre dois aglomerados massivos de galáxias. Conforme a colisão progride, a matéria escura nos aglomerados de galáxias (azul) se move à frente das nuvens associadas de gás quente, ou matéria normal (laranja). Crédito da animação: Observatório WM Keck/Adam Makarenko
Dinâmica de Colisão e Interação da Matéria
Durante a disputa que ocorreu entre os aglomerados, conhecidos coletivamente como MACS J0018.5+1626, as galáxias individuais em si saíram ilesas porque há muito espaço entre elas. Mas quando os enormes estoques de gás entre as galáxias (a matéria normal) colidiram, o gás se tornou turbulento e superaquecido. Enquanto toda a matéria, incluindo a matéria normal e a matéria escura, interage via gravidade, a matéria normal também interage via eletromagnetismo, o que a desacelera durante uma colisão. Então, enquanto a matéria normal ficou atolada, os reservatórios de matéria escura dentro de cada aglomerado navegaram.
Pense em uma colisão massiva entre vários caminhões basculantes transportando areia, sugere Emily Silich, autora principal de um novo estudo que descreve as descobertas em O Revista Astrofísica. “A matéria escura é como a areia e voa à frente.” Silich é um estudante de pós-graduação que trabalha com Jack Sayers, professor pesquisador de física no Caltech e principal investigador do estudo.
Metodologia de Pesquisa e Insights Observacionais
A descoberta foi feita usando dados do Observatório Submilimétrico Caltech (que foi recentemente removido de seu local em Maunakea, no Havaí, e será realocado para o Chile), do Observatório WM Keck em Maunakea, NASAObservatório de raios X Chandra da NASA telescópio espacial Hubbleo Agência Espacial Europeiao agora aposentado Observatório Espacial Herschel e o observatório Planck (cujos centros científicos afiliados da NASA eram baseados no IPAC do Caltech), e o Experimento do Telescópio Submilimétrico Atacama no Chile. Algumas das observações foram feitas décadas atrás, enquanto a análise completa usando todos os conjuntos de dados ocorreu nos últimos dois anos.
Análise comparativa com o Bullet Cluster
Essa dissociação da matéria escura e da matéria normal já foi observada antes, mais notavelmente na Aglomerado de balas. Nessa colisão, o gás quente pode ser visto claramente ficando para trás da matéria escura depois que os dois aglomerados de galáxias dispararam um através do outro. A situação que ocorreu no MACS J0018.5+1626 (referido posteriormente como MACS J0018.5) é semelhante, mas a orientação da fusão é rotacionada, aproximadamente 90 graus em relação à do Bullet Cluster. Em outras palavras, um dos aglomerados massivos no MACS J0018.5 está voando quase direto em direção à Terra enquanto o outro está se afastando rapidamente. Essa orientação deu aos pesquisadores um ponto de vista único para, pela primeira vez, mapear a velocidade da matéria escura e da matéria normal e elucidar como elas se desacoplaram durante uma colisão de aglomerados de galáxias.
“Com o Bullet Cluster, é como se estivéssemos sentados em uma arquibancada assistindo a uma corrida de carros e somos capazes de capturar belos instantâneos dos carros se movendo da esquerda para a direita na reta”, diz Sayers. “No nosso caso, é mais como se estivéssemos na reta com uma arma de radar, parados na frente de um carro enquanto ele vem em nossa direção e somos capazes de obter sua velocidade.”
Medindo velocidades da matéria usando o efeito SZ
Para medir a velocidade da matéria normal, ou gás, no aglomerado, os pesquisadores usaram um método observacional conhecido como efeito cinético Sunyaev-Zel’dovich (SZ). Sayers e seus colegas fizeram o primeira detecção observacional do efeito cinético SZ em um objeto cósmico individual, um aglomerado de galáxias chamado MACS J0717, em 2013, usando dados do CSO (as primeiras observações do efeito SZ feitas no MACS J0018.5 datam de 2006).
O efeito SZ cinético ocorre quando fótons do universo primitivo, o fundo cósmico de micro-ondas (CMB), espalham elétrons em gás quente em seu caminho em direção a nós na Terra. Os fótons sofrem uma mudança, chamada de Desvio Dopplerdevido aos movimentos dos elétrons nas nuvens de gás ao longo da nossa linha de visão. Ao medir a mudança no brilho do CMB devido a essa mudança, os pesquisadores podem determinar a velocidade das nuvens de gás dentro dos aglomerados de galáxias.
Este trecho do poema, escrito por Emily Silich, uma estudante de pós-graduação em astronomia do Caltech, foi inspirado por seus estudos de colisões entre aglomerados massivos de galáxias. Na verdade, ela o escreveu durante as muitas horas em que sua análise de simulações de colisões de aglomerados de galáxias rodava em centenas de núcleos de computador.
t = zero:
partículas inicializadas,
gás definido como ar.Dipolos opostos
atravessando como respiração lívida
sem suas colisões.Magma-colorido,
desvinculando-se de si mesmo em
reviravoltas tumultuadasde tesselações.
Uma questão de memória
não essencial paraépocas definidas por
algum tempo dentro de outro;
Decurso paralelo.O poema completo foi publicado como parte de uma coleção no Altadena Poetry Review Antologia.
O papel dos observatórios avançados e as perspectivas futuras
“Os efeitos Sunyaev-Zeldovich ainda eram uma ferramenta observacional muito nova quando Jack e eu viramos uma nova câmera no CSO em aglomerados de galáxias em 2006, e não tínhamos ideia de que haveria descobertas como essa”, diz Sunil Golwala, professor de física e orientador de doutorado da faculdade de Silich. “Estamos ansiosos por uma série de novas surpresas quando colocarmos instrumentos de última geração no telescópio em sua nova casa no Chile.”
Em 2019, os pesquisadores fizeram essas medições cinéticas de SZ em vários aglomerados de galáxias, que lhes informaram a velocidade do gás, ou matéria normal. Eles também usaram o Keck para aprender a velocidade das galáxias no aglomerado, que lhes informou por procuração a velocidade da matéria escura (porque a matéria escura e as galáxias se comportam de forma semelhante durante a colisão). Mas, neste estágio da pesquisa, a equipe tinha uma compreensão limitada das orientações dos aglomerados. Eles só sabiam que um deles, o MACS J0018.5, mostrava sinais de algo estranho acontecendo — o gás quente, ou matéria normal, estava viajando na direção oposta à matéria escura.
Desafios e avanços na compreensão da matéria escura
“Tínhamos essa coisa completamente estranha com velocidades em direções opostas, e a princípio achamos que poderia ser um problema com nossos dados. Até mesmo nossos colegas que simulam aglomerados de galáxias não sabiam o que estava acontecendo”, diz Sayers. “E então Emily se envolveu e desembaraçou tudo.”
Para parte de sua tese de doutorado, Silich abordou o enigma do MACS J0018.5. Ela recorreu a dados do Observatório de raios X Chandra para revelar a temperatura e a localização do gás nos aglomerados, bem como o grau em que o gás estava sendo chocado. “Essas colisões de aglomerados são os fenômenos mais energéticos desde o Big Bang”, diz Silich. “Chandra mede as temperaturas extremas do gás e nos conta sobre a idade da fusão e quão recentemente os aglomerados colidiram.” A equipe também trabalhou com Adi Zitrin da Universidade Ben-Gurion do Negev em Israel para usar dados do Hubble para mapear a matéria escura usando um método conhecido como lente gravitacional.
Além disso, John ZuHone do Center for Astrophysics em Harvard & Smithsonian ajudou a equipe a simular a colisão do aglomerado. Essas simulações foram usadas em combinação com dados de vários telescópios para, finalmente, determinar a geometria e o estágio evolutivo do encontro do aglomerado. Os cientistas descobriram que, antes da colisão, os aglomerados estavam se movendo em direção um ao outro a aproximadamente 3000 quilômetros/segundo, o que equivale a aproximadamente um por cento da velocidade da luz.
Com uma imagem mais completa do que estava acontecendo, os pesquisadores conseguiram descobrir por que a matéria escura e a matéria normal pareciam estar viajando em direções opostas. Embora os cientistas digam que é difícil visualizar, a orientação da colisão, juntamente com o fato de que a matéria escura e a matéria normal se separaram uma da outra, explica as medições de velocidade estranhas.
Conclusão e Direções Futuras de Pesquisa
No futuro, os pesquisadores esperam que mais estudos como este levem a novas pistas sobre a natureza misteriosa da matéria escura. “Este estudo é um ponto de partida para estudos mais detalhados sobre a natureza da matéria escura”, diz Silich. “Temos um novo tipo de sonda direta que mostra como a matéria escura se comporta de forma diferente da matéria normal.”
Sayers, que se lembra de ter coletado os dados do CSO sobre este objeto pela primeira vez há quase 20 anos, diz: “Levamos muito tempo para juntar todas as peças do quebra-cabeça, mas agora finalmente sabemos o que está acontecendo. Esperamos que isso leve a uma maneira totalmente nova de estudar a matéria escura em aglomerados.”
Referência: “ICM-SHOX. I. Visão geral da metodologia e descoberta de um desacoplamento de velocidade entre gás e matéria escura na fusão MACS J0018.5+1626” por Emily M. Silich, Elena Bellomi, Jack Sayers, John ZuHone, Urmila Chadayammuri, Sunil Golwala, David Hughes, Alfredo Montaña, Tony Mroczkowski, Daisuke Nagai, David Sánchez-Argüelles, SA Stanford, Grant Wilson, Michael Zemcov e Adi Zitrin, 12 de junho de 2024, O Jornal Astrofísico.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad3fb5
O estudo foi financiado pela National Science Foundation, pela Wallace LW Sargent Graduate Fellowship do Caltech, pelo Chandra X-ray Center, pela United States-Israel Binational Science Foundation, pelo Ministério da Ciência e Tecnologia de Israel, pelo projeto AtLAST (Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope) e pelo Consejo Nacional de Humanidades Ciencias y Technologías.