По приблизительным расчетам, доля видимой материи (барионной), включающей звезды и горячую плазму, составляет 10–20 процентов от общей массы галактических скоплений. Оставшаяся часть приходится на темную материю, которую невозможно обнаружить с помощью современных приборов. Впервые непосредственно зафиксировать разделение этих двух видов материи получилось в процессе слияния галактических скоплений MACS J0018.5+1626.
Галактические скопления состоят из тысяч галактик, связанных между собой гравитационным взаимодействием. Они являются самыми крупными структурами, существующими во Вселенной, и включают в себя большое количество горячего газа, излучающего в рентгеновском спектре, и темной материи.
MACS J0018.5+1626 представляет собой пару скоплений галактик, находящихся в процессе слияния и расположенных на огромном расстоянии от Земли – миллиарды световых лет. Специалисты из Калифорнийского технологического института (США) провели наблюдения за этим объектом, используя данные, полученные с субмиллиметровой обсерватории, обсерватории W.M. Keck, субмиллиметровой антенны ASTE, рентгеновской обсерватории Chandra, космических телескопов Hubble, а также Herschel и Planck. На всестороннее изучение предоставленных данных ушло несколько лет.
Столкновение двух галактических скоплений можно сравнить с опрокидыванием самосвалов, наполненных темной материей. В результате удара произошел выброс вещества. Эмили Силич, первый автор исследования, использовала подобную аналогию, опубликованного в издании The Astrophysical Journal.
Столкновение галактик в скоплениях не привело к их повреждению благодаря большому содержанию газа, который действует как амортизатор. Газ, находящийся между галактиками, во время сближения закручивался и нагревался. Электромагнитные взаимодействия, определяющие поведение обычной материи, замедлили движение газа, что привело к его уплотнению. Скопления темной материи, взаимодействующие только посредством гравитации, продолжили свое движение. В результате этого обычная и темная материя оказались разделенными.
Галактическое скопление Пуля – наиболее известный случай подобного разделения двух типов материи. Однако ориентация слияния MACS J0018.5+1626 (сейчас его называют MACS J0018.5) отличается от Пули, имея поворот приблизительно на 90 градусов. В MACS J0018.5 одно из скоплений движется почти прямо к Земле, а другое – стремительно удаляется. Это обеспечило хороший обзор и позволило впервые определить скорости темной и обычной материй в процессе разделения во время столкновения.
Для изучения ученые использовали метод, основанный на кинетическом эффекте Сюняева — Зельдовича. Этот эффект связан с изменением интенсивности реликтовых фотонов, вызванном рассеянием на электронах в горячем газе, движущемся в направлении Земли. С его помощью определяют скорость межгалактического газа в скоплениях.
Профессор Джек Сейрес, возглавлявший это исследование, зафиксировал проявление эффекта Сюняева — Зельдовича в отдельном галактическом скоплении MACS J0717 в 2013 году. Для объекта MACS J0018.5 этот метод был применен впервые еще в 2006-м.
Ранее исследователи определяли скорости газа, используя эффект Сюняева — Зельдовича в ряде скоплений галактик. После этого они измерили скорости галактик в этих скоплениях, что дало возможность косвенно оценить скорости темной материи. Пришло время изучить ориентацию MACS J0018.5. Ученые также провели картирование темной материи в скоплении с помощью метода гравитационного линзирования и, наконец, создали модель столкновения.
Галактики приблизились друг к другу со скоростью порядка 3000 километров в секунду, что составляет приблизительно один процент от скорости света. После получения целостного представления астрономы обнаружили, что темная и обычная материя отделились и перемещаются в противоположных направлениях.
Эта разработка предоставила ученым возможность непосредственно изучать темную материю, природа которой до сих пор остается невыясненной.