Anıtsal Galaksi Kümesi Çarpışmasında Şaşırtıcı Hızlar Ortaya Çıktı

Gökbilimciler, iki galaksi kümesi arasında benzersiz bir çarpışma gözlemlediler ve bu çarpışmalar sırasında karanlık madde ile normal maddenin nasıl ayrıldığını ortaya koydular.

Araştırmacılar, SZ etkisi de dahil olmak üzere gelişmiş teleskoplar ve gözlem tekniklerinin bir kombinasyonunu kullanarak karanlık ve normal maddenin ayrılmış hızlarını izlediler. Çalışma, karanlık maddenin gizemli doğasına dair anlayışımızı geliştiriyor ve gelecekteki araştırmalar için zemin hazırlıyor.

Galaksi Kümelerinde Karanlık Madde Ayrışması

Gökbilimciler, kümelerin karanlık madde bulutlarının sözde normal maddeden ayrıldığı iki büyük galaksi kümesi arasındaki karmaşık çarpışmayı çözdüler. Her iki küme de binlerce galaksi içeriyor ve Dünya’dan milyarlarca ışık yılı uzakta bulunuyorlar. Birbirlerinin içinden geçerken, karanlık madde (yerçekimi kuvvetini hisseden ancak ışık yaymayan görünmez bir madde) normal maddenin önüne geçti. Yeni gözlemler, karanlık ve normal madde hızlarının ayrışmasını doğrudan inceleyen ilk gözlemler.

Yerçekimi kuvvetiyle birbirine yapıştırılmış galaksi kümeleri, evrendeki en büyük yapılar arasındadır. Bu tür kümelerdeki kütlenin yalnızca %15’i normal maddedir, gezegenleri, insanları ve etrafınızda gördüğünüz her şeyi oluşturan maddeyle aynıdır. Bu normal maddenin büyük çoğunluğu sıcak gazdır, geri kalanı ise yıldızlar ve gezegenlerdir. Küme kütlesinin kalan %85’i karanlık maddedir.

Bu sanatçının animasyonu iki büyük galaksi kümesi arasındaki çarpışmayı tasvir ediyor. Çarpışma ilerledikçe, galaksi kümelerindeki karanlık madde (mavi) ilişkili sıcak gaz bulutlarının veya normal maddenin (turuncu) önüne geçiyor. Animasyon kredisi: WM Keck Gözlemevi/Adam Makarenko

Çarpışma Dinamikleri ve Madde Etkileşimi

Kümeler arasında gerçekleşen ve MACS J0018.5+1626 olarak bilinen mücadele sırasında, aralarında çok fazla boşluk olduğu için, bireysel galaksiler büyük ölçüde zarar görmeden kaldı. Ancak galaksiler arasındaki muazzam gaz depoları (normal madde) çarpıştığında, gaz türbülanslı hale geldi ve aşırı ısındı. Hem normal madde hem de karanlık madde dahil tüm maddeler yerçekimi yoluyla etkileşime girerken, normal madde aynı zamanda çarpışma sırasında onu yavaşlatan elektromanyetizma yoluyla da etkileşime girer. Bu nedenle, normal madde bataklığa saplanırken, her kümenin içindeki karanlık madde havuzları yoluna devam etti.

Emily Silich. Kredi: Caltech

Yeni bir çalışmanın bulgularını açıklayan baş yazar Emily Silich, kum taşıyan birden fazla damperli kamyonun büyük bir çarpışmasını düşünün diyor. The Astrofizik Dergisi“Karanlık madde kum gibidir ve önden uçar.” Silich, Caltech’te fizik araştırma profesörü ve çalışmanın baş araştırmacısı olan Jack Sayers ile birlikte çalışan bir lisansüstü öğrencisidir.

Araştırma Metodolojisi ve Gözlemsel İçgörüler

Keşif, Caltech Submillimetre Gözlemevi’nden (yakın zamanda Hawaii’deki Maunakea’daki yerinden kaldırılıp Şili’ye taşınacak), Maunakea’daki WM Keck Gözlemevi’nden alınan veriler kullanılarak yapıldı. NASAChandra X-ışını Gözlemevi, NASA’nın Hubble uzay teleskobu, Avrupa Uzay Ajansı‘nin artık emekliye ayrılmış olan Herschel Uzay Gözlemevi ve Planck Gözlemevi (NASA’ya bağlı bilim merkezleri Caltech’in IPAC’ında bulunuyordu) ve Şili’deki Atacama Submillimeter Telescope Deneyi. Gözlemlerin bazıları onlarca yıl önce yapılmışken, tüm veri kümelerini kullanan tam analiz son birkaç yılda gerçekleşti.

Bullet Kümesiyle Karşılaştırmalı Analiz

Karanlık ve normal maddenin bu şekilde ayrışması daha önce de görüldü, en ünlüsü Mermi Kümesi. Bu çarpışmada, iki galaksi kümesinin birbirine çarpmasından sonra sıcak gazın karanlık maddenin gerisinde kaldığı açıkça görülebilir. MACS J0018.5+1626’da (daha sonra MACS J0018.5 olarak anılacaktır) meydana gelen durum benzerdir, ancak birleşmenin yönü Mermi Kümesi’ninkine göre yaklaşık 90 derece dönmüştür. Başka bir deyişle, MACS J0018.5’teki büyük kümelerden biri neredeyse düz bir şekilde Dünya’ya doğru uçarken diğeri hızla uzaklaşmaktadır. Bu yön, araştırmacılara hem karanlık maddenin hem de normal maddenin hızını ilk kez haritalamak ve bir galaksi kümesi çarpışması sırasında birbirlerinden nasıl ayrıldıklarını açıklamak için benzersiz bir bakış açısı sağlamıştır.

Jack Sayers, galaksi kümesi çarpışmasının geometrisini açıklıyor. Kaynak: Caltech

Sayers, “Bullet Cluster ile, sanki bir tribünde oturmuş bir araba yarışını izliyormuşuz ve düz yolda soldan sağa hareket eden arabaların güzel anlık görüntülerini yakalayabiliyormuşuz gibi,” diyor. “Bizim durumumuzda, daha çok düz yolda bir radar tabancasıyla, bize doğru gelen bir arabanın önünde duruyor ve hızını yakalayabiliyormuşuz gibi.”

SZ Etkisini Kullanarak Madde Hızlarının Ölçülmesi

Kümedeki normal maddenin veya gazın hızını ölçmek için araştırmacılar kinetik Sunyaev-Zel’dovich (SZ) etkisi olarak bilinen bir gözlemsel yöntem kullandılar. Sayers ve meslektaşları Kinetik SZ etkisinin ilk gözlemsel tespiti 2013 yılında, CSO’dan alınan verileri kullanarak, MACS J0717 adlı bir galaksi kümesinde, tek bir kozmik nesne üzerinde gözlemler yapıldı (MACS J0018.5’in ilk SZ etkisi gözlemleri 2006 yılına dayanıyor).

Kinetik SZ etkisi, erken evrenden gelen fotonlar, kozmik mikrodalga arka planı (CMB), Dünya’ya doğru giderken sıcak gazdaki elektronlardan saçıldığında meydana gelir. Fotonlar, bir kaymaya uğrar, buna Doppler kaymasıgörüş hattımız boyunca gaz bulutlarındaki elektronların hareketlerinden dolayı. Bu kaymadan dolayı CMB’nin parlaklığındaki değişimi ölçerek, araştırmacılar galaksi kümeleri içindeki gaz bulutlarının hızını belirleyebilirler.

Caltech’te astronomi alanında lisansüstü öğrencisi olan Emily Silich tarafından yazılan bu şiir alıntısı, devasa galaksi kümeleri arasındaki çarpışmalar üzerine yaptığı çalışmalardan esinlenmiştir. Aslında, bunu galaksi kümesi çarpışmalarının simülasyonlarının analizini yüzlerce bilgisayar çekirdeğinde çalıştırdığı uzun saatler boyunca yazmıştır.

t = sıfır:
parçacıklar başlatıldı,
gaz hava olarak tanımlanır.

Karşıt dipoller
soluk bir nefes gibi geçerek
çarpışmaları hariç.

Magma renklendirilmiş,
kendisinden ayrışarak
çalkantılı dönüşler

mozaiklerden.
Bir hafıza sorunu
için gerekli olmayan

tarafından tanımlanan dönemler
bir diğerinin içindeki bir zaman;
Paralel zaman aşımı.

Şiirin tamamı bir derlemenin parçası olarak yayınlandı Altadena Şiir İnceleme Antolojisi.

Gelişmiş Gözlemevlerinin Rolü ve Gelecekteki Beklentiler

“Sunyaev-Zeldovich etkileri, Jack ve ben 2006 yılında CSO’da galaksi kümelerine ilk kez yeni bir kamera çevirdiğimizde hala çok yeni bir gözlem aracıydı ve böyle keşifler olacağı aklımıza bile gelmiyordu,” diyor fizik profesörü ve Silich’in fakülte doktora danışmanı Sunil Golwala. “Şili’deki yeni evinde teleskopa yeni nesil aletler yerleştirdiğimizde bir dizi yeni sürprizle karşılaşmayı dört gözle bekliyoruz.”

2019’a gelindiğinde araştırmacılar, gazın veya normal maddenin hızını gösteren birkaç galaksi kümesinde bu kinetik SZ ölçümlerini yapmıştı. Ayrıca kümedeki galaksilerin hızını öğrenmek için Keck’i kullanmışlardı; bu da onlara dolaylı olarak karanlık maddenin hızını gösteriyordu (çünkü karanlık madde ve galaksiler çarpışma sırasında benzer şekilde davranıyor). Ancak araştırmanın bu aşamasında, ekibin kümelerin yönelimleri hakkında sınırlı bir anlayışı vardı. Sadece bunlardan birinin, MACS J0018.5’in garip bir şeylerin olduğuna dair işaretler gösterdiğini biliyorlardı; sıcak gaz veya normal madde, karanlık maddenin ters yönünde hareket ediyordu.

Karanlık Maddeyi Anlamada Karşılaşılan Zorluklar ve Gelişmeler

“Hızları zıt yönlerde olan bu tamamen tuhaf şeyle karşılaştık ve ilk başta bunun verilerimizle ilgili bir sorun olabileceğini düşündük. Galaksi kümelerini simüle eden meslektaşlarımız bile neler olup bittiğini bilmiyordu,” diyor Sayers. “Ve sonra Emily dahil oldu ve her şeyi çözdü.”

Silich, doktora tezinin bir kısmı için MACS J0018.5 bilmecesini ele aldı. Kümelerdeki gazın sıcaklığını ve yerini ve gazın ne kadar şoklandığını ortaya çıkarmak için Chandra X-ışını Gözlemevi’nden gelen verilere yöneldi. “Bu küme çarpışmaları, Büyük patlama“Silich,” diyor. “Chandra gazın aşırı sıcaklıklarını ölçüyor ve bize birleşmenin yaşını ve kümelerin ne kadar yakın zamanda çarpıştığını söylüyor.” Ekip ayrıca, Hubble verilerini kullanarak karanlık maddeyi yerçekimsel mercekleme olarak bilinen bir yöntem kullanarak haritalamak için İsrail’deki Negev Ben-Gurion Üniversitesi’nden Adi Zitrin ile çalıştı.

Ayrıca, Harvard ve Smithsonian Astrofizik Merkezi’nden John ZuHone, ekibin küme çarpışmasını simüle etmesine yardımcı oldu. Bu simülasyonlar, küme karşılaşmasının geometrisini ve evrim aşamasını belirlemek için çeşitli teleskoplardan gelen verilerle birlikte kullanıldı. Bilim insanları, çarpışmadan önce kümelerin birbirlerine doğru yaklaşık 3000 kilometre/saniye hızla hareket ettiğini, bunun da ışık hızının yaklaşık yüzde birine eşit olduğunu buldular.

Neler olup bittiğine dair daha eksiksiz bir resimle, araştırmacılar karanlık madde ve normal maddenin neden zıt yönlerde hareket ediyor gibi göründüğünü anlayabildiler. Bilim insanları bunu görselleştirmenin zor olduğunu söylese de, çarpışmanın yönü, karanlık madde ve normal maddenin birbirinden ayrılmış olması gerçeğiyle birleşince, tuhaf hız ölçümlerini açıklıyor.

Sonuç ve Gelecekteki Araştırma Yönleri

Araştırmacılar gelecekte bunun gibi daha fazla çalışmanın karanlık maddenin gizemli doğası hakkında yeni ipuçlarına yol açacağını umuyor. Silich, “Bu çalışma karanlık maddenin doğası hakkında daha detaylı çalışmalara başlangıç ​​noktasıdır,” diyor. “Karanlık maddenin normal maddeden nasıl farklı davrandığını gösteren yeni bir tür doğrudan araştırmamız var.”

Bu nesneye ilişkin CSO verilerini ilk kez yaklaşık 20 yıl önce topladığını hatırlayan Sayers, “Bulmacanın tüm parçalarını bir araya getirmemiz uzun zaman aldı, ancak şimdi sonunda neler olduğunu biliyoruz. Bunun kümelerdeki karanlık maddeyi incelemek için tamamen yeni bir yola yol açmasını umuyoruz.” diyor.

Referans: 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 ve Adi Zitrin tarafından yazılan “ICM-SHOX. I. Metodoloji Genel Bakışı ve MACS J0018.5+1626 Birleşmesinde Gaz-Karanlık Madde Hız Ayrışmasının Keşfi”, 12 Haziran 2024, Astrofizik Dergisi.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad3fb5

Çalışma, Ulusal Bilim Vakfı, Caltech’teki Wallace LW Sargent Lisansüstü Bursu, Chandra X-ışını Merkezi, ABD-İsrail İkili Bilim Vakfı, İsrail Bilim ve Teknoloji Bakanlığı, AtLAST (Atacama Büyük Açıklıklı Alt Milimetre Teleskobu) projesi ve Consejo Nacional de Humanidades Ciencias y Technologías tarafından finanse edildi.