تمكن علماء الفلك من كشف تصادم معقد بين مجموعتين من المجرات العملاقة، حيث انفصلت سحب المادة المظلمة الشاسعة للمجموعتين عن المادة العادية. تحتوي كل مجموعة على آلاف المجرات وتقع على بعد مليارات السنين الضوئية من الأرض. وشارك في الدراسة أيضًا البروفيسور عدي تزيترين من جامعة بن غوريون
تمكن علماء الفلك من كشف تصادم معقد بين مجموعتين من المجرات العملاقة، انفصلت فيه سحب المادة المظلمة الشاسعة للمجموعتين عن المادة العادية. تحتوي كل مجموعة على آلاف المجرات وتقع على بعد مليارات السنين الضوئية من الأرض.
عندما اصطدمت العناقيد، تحركت المادة المظلمة - وهي مادة غير مرئية تشعر بالجاذبية ولكنها لا تبعث الضوء - أمام المادة العادية. الملاحظات الجديدة هي الأولى التي تبحث بشكل مباشر في فصل سرعات المادة المظلمة والمادة العادية.
تعد مجموعات المجرات من بين أكبر الهياكل في الكون، وتتماسك معًا عن طريق الجاذبية. 15% فقط من الكتلة في مثل هذه العناقيد هي مادة عادية، وهي نفس المادة التي تشكل الكواكب والأشخاص وكل ما نراه حولنا. معظم هذه المادة العادية عبارة عن غاز ساخن، والباقي عبارة عن نجوم وكواكب. أما النسبة المتبقية البالغة 85% من كتلة العنقود فهي مادة مظلمة.
أثناء الاصطدام الذي حدث بين العناقيد، المعروف باسم MACS J0018.5+1626، ظلت المجرات نفسها سالمة تقريبًا بسبب وجود مساحة كبيرة بينها. ولكن عندما اصطدمت خزانات الغاز الضخمة بين المجرات (المادة العادية)، أصبح الغاز مضطربًا وحارًا جدًا.
في حين أن كل المادة، بما في ذلك المادة العادية والمادة المظلمة، تتفاعل عبر الجاذبية، فإن المادة العادية تتفاعل أيضًا عبر الكهرومغناطيسية، مما يؤدي إلى إبطائها أثناء الاصطدام. لذلك، بينما توقفت المادة الطبيعية، استمرت مخازن المادة المظلمة في كل مجموعة في التقدم.
فكر في اصطدام كبير بين عدة شاحنات تحمل الرمال، كما تقترح إميلي سيليك، المؤلفة الرئيسية لدراسة جديدة تصف النتائج المنشورة في مجلة الفيزياء الفلكية. وتقول: "المادة المظلمة مثل الرمل، وهي تتحرك للأمام". سيليك هو طالب دكتوراه يعمل مع جاك سايرز، أستاذ الفيزياء في جامعة كاليفورنيا والمؤلف الرئيسي للدراسة.
تم هذا الاكتشاف باستخدام بيانات من مرصد كاليفورنيا دون المليمتر (الذي تمت إزالته مؤخرًا من موقعه في ماوناكا بهاواي ونقله إلى تشيلي)، ومرصد WM Keck في ماوناكا، ومرصد شاندرا للأشعة السينية التابع لناسا، وتلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا، ومرصد هيرشل الفضائي و بلانك التابع لوكالة الفضاء الأوروبية (الذي يقع مقر المراكز العلمية المرتبطة بوكالة ناسا في IPAC). كاليفورنيا)، وتجربة تلسكوب أتاكاما دون المليمتري في تشيلي، وقد تم إجراء بعض الملاحظات منذ عقود، في حين تم إجراء التحليل الكامل باستخدام جميع مجموعات البيانات خلال العامين الماضيين.
وقد لوحظ مثل هذا الفصل بين المادة المظلمة والمادة العادية من قبل، وخاصة في العنقود الرصاصي. وفي هذا الاصطدام، يمكن رؤية الغاز الساخن بوضوح خلفه بعد مرور المجموعات على بعضها البعض. الموقف الذي حدث في MACS J0018.5 مشابه، ولكن يتم تدوير زاوية الدمج بنحو 90 درجة بالنسبة إلى مجموعة Bullet.
بمعنى آخر، إحدى العناقيد العملاقة في MACS J0018.5 تطير بشكل مستقيم تقريبًا نحو الأرض بينما تبتعد الأخرى بسرعة. أعطت هذه الزاوية للباحثين منظورًا فريدًا، أمكن من خلاله لأول مرة رسم خريطة لسرعة المادة المظلمة والمادة العادية وتوضيح كيفية انفصالهما عن بعضهما البعض أثناء تصادم مجموعات المجرات.
يقول سايرز: "في مجموعة Bullet Cluster، يبدو الأمر كما لو أننا نجلس في المدرجات ونشاهد سباق سيارات ويمكننا التقاط صور جميلة للسيارات التي تتحرك من اليسار إلى اليمين على المسار". "في حالتنا، يبدو الأمر كما لو كنا على المسار الصحيح ومعنا مسدس رادار، ونقف أمام سيارة قادمة نحونا ونكون قادرين على قياس سرعتها".
لقياس سرعة المادة العادية، أو الغاز، في العنقود، استخدم الباحثون طريقة رصد تسمى تأثير سونيايف-زيلدوفيتش الحركي (SZ). قام سايرز وزملاؤه بالملاحظة الأولى لتأثير SZ الحركي على جسم كوني واحد، وهو مجموعة مجرات تسمى MACS J0717، في عام 2013، باستخدام بيانات من CSO (تم إجراء الملاحظات الأولى لتأثير SZ على MACS J0018.5 في عام 2006). .
يحدث تأثير SZ الحركي عندما تتشتت الفوتونات من الكون المبكر، إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (CMB)، بواسطة الإلكترونات الموجودة في الغاز الساخن في طريقها إلينا على الأرض. تخضع الفوتونات لتحول يسمى تحول دوبلر، وذلك بسبب حركة الإلكترونات في السحب الغازية في خط رؤيتنا. ومن خلال قياس التغير في سطوع الإشعاع CMB نتيجة لهذا التغيير، يمكن للباحثين تحديد سرعة السحب الغازية في مجموعات المجرات.
يقول سونيل جولوالا، أستاذ الفيزياء: "كانت تأثيرات سونيايف-زيلدوفيتش لا تزال أداة رصد جديدة للغاية عندما وجهنا أنا وجاك كاميرا جديدة لأول مرة نحو CSO في مجموعات المجرات في عام 2006، ولم تكن لدينا أي فكرة عن وجود اكتشافات مثل هذه". ومشرف دكتوراه سيليتش.
"نتوقع سلسلة من المفاجآت الجديدة عندما نقوم بتثبيت أدوات الجيل التالي على التلسكوب في منزله الجديد في تشيلي."
بحلول عام 2019، أجرى الباحثون قياسات SZ الحركية على عدة مجموعات من المجرات، والتي أخبرتهم بسرعة الغاز، أو المادة العادية. استخدموا أيضًا مرصد كيك لدراسة سرعة المجرات في العنقود، والتي تم إخبارهم بها بالوكالة عن سرعة المادة المظلمة (نظرًا لأن المادة المظلمة والمجرات تتصرف بشكل مشابه أثناء الاصطدامات).
لكن في هذه المرحلة من البحث، لم يفهم الفريق سوى القليل عن زوايا العناقيد. لقد عرفوا فقط أن واحدًا منهم، MACS J0018.5، أظهر علامات على شيء غريب - الغاز الساخن، أو المادة العادية، كان يتحرك في الاتجاه المعاكس للمادة المظلمة.
يقول سايرز: "كان لدينا لغز كامل حول السرعات في اتجاهين متعاكسين، واعتقدنا في البداية أنها قد تكون مشكلة في بياناتنا. وحتى زملائنا الذين قاموا بمحاكاة مجموعات المجرات لم يعرفوا ما الذي يحدث". "ثم تدخلت إميلي وتركت كل شيء."
كجزء من أطروحة الدكتوراه، تناولت سيليك لغز MACS J0018.5. ولجأت إلى بيانات مرصد شاندرا للأشعة السينية للكشف عن درجة حرارة وموقع الغاز في العناقيد وكذلك مدى صدمات الغاز.
يقول سيليك: "إن تصادمات هذه العناقيد المجرية هي الظواهر الأكثر نشاطًا منذ الانفجار الكبير". "يقيس تشاندرا درجات الحرارة القصوى للغاز ويخبرنا عن عمر الاندماج ومدى حداثة تصادم المجموعات."
عمل الفريق أيضًا مع آدي سيترين من جامعة بن غوريون في النقب في إسرائيل لاستخدام بيانات هابل لرسم خريطة للمادة المظلمة من خلال عدسة الجاذبية.
بالإضافة إلى ذلك، ساعد جون زوهون من مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية الفريق في محاكاة اصطدام العناقيد. تم استخدام عمليات المحاكاة هذه مع بيانات من التلسكوبات المختلفة لتحديد المرحلة الهندسية والتطورية لاجتماع المجموعة في نهاية المطاف. ووجد العلماء أنه قبل الاصطدام كانت العناقيد تتحرك تجاه بعضها البعض بسرعة حوالي 3000 كيلومتر في الثانية، أي ما يعادل حوالي 1% من سرعة الضوء.
ومن خلال صورة أكثر اكتمالًا لما كان يحدث، تمكن الباحثون من فهم سبب تحرك المادة المظلمة والمادة العادية في اتجاهين متعاكسين. على الرغم من أن العلماء يقولون إنه من الصعب تخيل ذلك، إلا أن زاوية الاصطدام، بالإضافة إلى حقيقة أن المادة المظلمة والمادة العادية قد انفصلتا عن بعضهما البعض، تفسر قياسات السرعة الغريبة.
ويأمل الباحثون في المستقبل أن تؤدي المزيد من الدراسات المشابهة إلى أدلة جديدة حول الطبيعة الغامضة للمادة المظلمة.
يقول سيليك: "تمثل هذه الدراسة نقطة انطلاق لدراسات أكثر تفصيلاً حول طبيعة المادة المظلمة". "لدينا نوع جديد من المسبار المباشر الذي يوضح كيف تتصرف المادة المظلمة بشكل مختلف عن المادة العادية."
يقول سايرز، الذي يتذكر أنه جمع البيانات حول هذا الكائن من منظمات المجتمع المدني قبل 20 عامًا تقريبًا: "لقد استغرقنا وقتًا طويلاً لجمع كل قطع اللغز معًا، لكننا الآن نعرف أخيرًا ما الذي يحدث. ونأمل أن يؤدي هذا إلى إلى طريقة جديدة تمامًا لدراسة المادة المظلمة في العناقيد."
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
الردود 2
الصورة الفلكية الخام لا تبدو جميلة. التقط الصورة وأضف إليها ألوانًا أو لهجات أخرى لجعلها في متناول عامة الناس.
لماذا ليست هذه صورة؟ إنها محاكاة للفنان. هل كان من الممكن تصوير كل شيء. نحن نعمل على تصوير ما رأيته.