Темная Материя 3.5 - когда сталкиваются скопления

Этан Зигель, Starts with a Bang
30 сентября 2009 года

Многие из вас видели изображения сталкивающихся скоплений галактик, которые я поместил в понедельник. Они замечательны тем, что не только показывают скопления спустя всего 200 млн лет после столкновения (что очень мало в космических масштабах), но и также и тем, что показывают, где расположена масса (отмечено синим), и где находятся области, излучающие рентгеновские лучи (розовым). Вот, скопление под названием Пуля:

А это MACS J0025:



А вот еще одно - Abell 520:

Вот, что происходит, когда сталкиваются скопления галактик - происходит разделение нормальной и темной материи! Давайте рассмотрим, как.

Иногда нормальная материя упакована в плотные небольшие сгустки - хороший пример таких сгустков - звезды и галактики. Когда два больших, протянувшихся на миллионы световых лет, кластера врезаются друг в друга, эти маленькие сгустки движутся с большой инерцией друг на друга, но вероятность их прямого столкновения очень мала. Что это значит? Скорее всего они разминутся, и вряд ли сильно потеряют скорость вследствие трения движения сквозь другой кластер. Другими словами, они ведут себя как маленькие металлические шарики в игре "Перекрестный Огонь" - в основном, они свободно пройдут через кластер насквозь.

Это оставляет нас с газом, который находится там же, где большинство нормальной и темной материи. Со всех точек зрения, эти два типа материи рассеяны во всем скоплении, они диффузны, но вездесущи. Газ состоит из протонов, нейтронов и электронов, а эти частицы очень просто взаимодействуют друг с другом. Когда сталкиваются два газа, они ведут себя также, как две встречные струи воды:

Между ними очень много трения, которое (как вы помните), их одновременно замедляет и разогревает. Замедление - это причина, почему газ, излучающий рентгеновские лучи, всегда находится в центре сталкивающихся скоплений (см. выше - все три случая), а нагрев - это причина, по которой газ становится достаточно горячим, чтобы излучать рентгеновские лучи! Другими словами, в газе наблюдается "всплеск"!

Но что с темной материей? Хотя она подчиняется тем же гравитационным физическим законам, у нее нет главного источника трения - электрического заряда! Мы действительно уверены в том, что темная материя практически не подвергается электромагнитному взаимодействию. Трение между частицами темной материи (как и трение между темной материей и газом) настолько мало, что им просто можно пренебречь. Сталкивающаяся темная материя ведет себя как два луча света - они просто не замечают присутствия друг друга!

Но мы идем даже дальше и делаем симуляцию того, что произойдет, когда сталкивается нормальная материя (газ - розовым) и темная материя (синим), у которой есть только гравитационное трение. Видео было целиком в предыдущей статье, а сейчас мы рассмотрим несколько экранов оттуда.

До столкновения мы видим, что темная и обычная материя составляют практически единое целое, распределенное в пространстве в виде сферы, формирующий внешний вид скопления.

Пока скопления не взаимодействуют, они сохраняют свою форму, и оба типа материи остаются сферическими, но при начале столкновения все меняется...

Видите, темная материя (отмечена синим) продолжает двигаться как ни в чем не бывало, на нее не действуют никакие силы. Но сталкивающийся газ (розовый), при столкновении замедляется и разогревается, приобретая тепловую энергию. Это становится очевидным если продвинуться вперед во времени еще на пару миллионов лет.

Это разделение только увеличивается, поскольку темная материя продолжает свое движение, а газ продолжает замедление.

По мере протекания столкновения, темная материя постепенно меняет направление своего движения на противоположное, и падает обратно в скопление. Мы не видим этого в скоплении Пуля, которое находится на ранней стадии своей эволюции, но в MACS J0025, находящемся на немного более поздней стадии уже присутствуют все признаки, а в скоплении Abell 520, находящейся в поздней стадии объединения, это падение видно очень хорошо.

И вот вам результат. Вот поэтому сталкивающиеся скопления ведут себя именно так, именно поэтому потребовалось присутствие некоего материала, который во время столкновений взаимодействует только путем гравитации, а не трения. Мы называем этот материал Темной Материей.

У него есть гравитация, как у любой материи, но он совершенно невидим, не поглощая и не излучая света. Нравится вам или нет это название, все происходит именно так, и это единственное логичное объяснение тому, что мы сейчас наблюдаем.

Темная материя. Запомните это.

Комментарий доктора Майкла: уф, даже добавить нечего. Великолепное, наглядное объяснение, что такое Темная Материя и зачем она понадобилась. Вот ведь какая штука, пока мы не начали наблюдать скопления галактик в видимом, рентгеновском диапазонах, пока не изучили эффект гравитационной линзы, и не научились определять, где на луче зрения расположена эта невидимая материя, искажающая объекты сзади нее, мы даже не подозревали о ее существовании. Фактически, буквально недавно астрономы получили новый мощные метод познания - гравитационные линзы (gravitational lensing), а теперь с его помощью делаются поразительные открытия фундаментального строения Вселенной.

И кто знает, что нас ждет дальше...