8 Minutės
2020 m. Naujųjų metų išvakarėse astronomai pastebėjo įspūdingą, putojantį galaktikų sistemą, dabar vadinamą Champagne klasteriu. Nauji kompozitiniai vaizdai, sujungiantys rentgeno ir optinius duomenis, atskleidžia du didžiulius galaktikų klasterius, kurie yra susijungimo procese — tai reta laboratorija, leidžianti tirti, kaip karštas intraklasterinis dujos ir nematoma tamsioji materija elgiasi per aukštos spartos susidūrimus.
Tokie vaizdai atskleidžia, kad Champagne klasteris iš tiesų yra du artėjantys galaktikų klasteriai, kurie susilieja ir formuoja dar didesnę struktūrą. Chandra rentgeno observatorijos aptikti kelių milijonų laipsnių dujų burbuliukai (pavaizduoti purpurine spalva) išsidėstę per daugiau nei šimto narių galaktikų sankaupas, matomas optiniuose duomenyse (raudona, žalia ir mėlyna spalvos). Karštųjų dujų masė viršija atskirų galaktikų žvaigždines mases sudėjus, o dauguma bendros masės lieka nematoma — ji įsikibusi tamsiojoje materijoje. Tolimesni šio klasterio stebėjimai gali paaiškinti, kaip tamsioji materija reaguoja į greitus, smarkius susidūrimus ir kokius fizikos procesus tai iššaukia.
Putojantis susidūrimas gilumoje
Pažymėtas kataloge kaip RM J130558.9+263048.4, Champagne klasteris gavo šį šventišką pravardę todėl, kad astronomai jį pirmą kartą identifikavo 2020 m. gruodžio 31 d., o galaktikų bei įkaitusių dujų išsidėstymas primena putojančią srovę burbuliukų. Chandra rentgeno observatorija atskleidžia kelių milijonų laipsnių plazmos kišenes, pavaizduotas purpurine spalva, o optiniai duomenys iš Legacy Surveys (rodoma raudona, žalia ir mėlyna) žemėlapyje apima daugiau nei šimtą narių galaktikų.
Šis atradimas svarbus tuo, kad vietoje vieno santykinai ramio klasterio matome dvi aiškias galaktikų sankaupas — vieną viršuje, kitą apačioje centrinės dalies — ir pailgą karštųjų dujų išsidėstymą, ištemptą palei susidūrimo ašį. Tokia morfologija yra stiprus žymuo, kad vyksta aktyvus susijungimas: du klasteriai jau sąveikavo arba šiuo metu sąveikauja, pertvarkydami dujas, žvaigždes ir savo tamsiosios materijos haloes.
Tokie objektai — galaktikų klasterių susidūrimai — suteikia unikalią galimybę tyrinėti didžiausio masto kosminius procesus. Stebint įvairius bangų ilgius (rentgeno, optinius, radijo), mokslininkai gali rekonstruoti susidūrimo istoriją, išmatuoti šokų (shock) parametrus, dujų temperatūrų pasiskirstymą ir ieškoti požymių, kurie leistų atskirti kolizinius komponentus (karštasias dujas) nuo beveik neliečiamų komponentų (galaktikos ir tamsioji materija).
Stebėjimai, instrumentai ir ką jie atskleidžia
Šio atradimo pagrindą sudaro papildomos ir tarpusavyje besidopinančios duomenų bazės. Chandra teikia itin jautrius ir aukštos raiškos rentgeno vaizdus, leidžiančius detaliai išmatuoti intraklasterinės terpės (ICM) — t. y. per klasterius pasklidusios karštos plazmos — temperatūrą, tankį ir energetiką. Legacy Surveys optiniai vaizdai, gauti per kelis teleskopus Arizonoje ir Čilėje, suteikia detalų galaktikų išdėstymo žemėlapį, leidžiantį identifikuoti klasterio narius ir įvertinti žvaigždinės masės pasiskirstymą.
Kartu šie instrumentai atskleidžia sistemą, kurioje karštųjų dujų masė prilygsta arba net viršija visų narių galaktikų žvaigždines mases, o bendra masė yra stipriai dominuojama nematomos tamsiosios materijos. Tokia masės struktūra yra tipiška galaktikų klasteriams ir išryškėja ypač tada, kai vyksta smarkūs dinaminių procesų laukai — susidūrimai, praplėtimai ir akrecijos srautai iš aplinkinio kosminio tinklo.
Palyginimai su gerai žinomais susidūrimais, pavyzdžiui, Bullet klasteriu, padeda astronomams interpretuoti stebimus požymius. Retuose aukštos spartos susidūrimuose karštosios dujos gali būti sulėtintos arba išstumtos dėl ram spaudimo (ram pressure), tuo tarpu mažiau kolizijos veikiami komponentai — galaktikos ir tamsioji materija — praeina toliau beveik nevaržomi. Išmatuoti poslinkiai tarp dujų, galaktikų ir tamsiosios materijos — dažnai nustatomi per gravitacinio lęšiavimo (weak and strong gravitational lensing) studijas — yra esminis būdas tirti tamsiosios materijos elgseną per smarkias sąveikas.
Be tam tikrų instrumentų paminėjimų, verta pažymėti ir papildomas priemones: gilesni rentgeno stebėjimai gali atskleisti šokų briaunas ir temperatūros gradientus, o radijo stebėjimai gali aptikti švytinčius radijo reliktus arba radijo halojus, susijusius su plazmos turbulencija ir partonų akceleracija. Spektroskopiniai tyrimai suteiks galaktikų greičių komponentus ir leidžia nustatyti, ar klasterio dalys juda viena kitos atžvilgiu į priekį, ar tolsta — tai padės sukonkretinti susidūrimo dinamiką.
Du laiko scenarijai ir galimybė tirti tamsiąją materiją
Integravus stebimus struktūrinius požymius su kompiuterinėmis simuliacijomis, iškyla bent dvi tikėtinos Champagne klasterio raidos istorijos. Pirmasis scenarijus teigia, kad klasteriai susidūrė prieš daugiau nei dvi milijardus metų, vėliau atsiskyrė ir dabar gravitacija traukia juos vėl susitikti antrą kartą. Antrasis scenarijus siūlo, kad įvyko vienkartinis susidūrimas maždaug prieš 400 milijonų metų, po kurio sistema dabar juda toliau ir tolsta nuo centro. Kiekvienas scenarijus prognozuoja skirtingus atstumus ir poslinkius tarp dujų, galaktikų ir tamsiosios materijos — būdingos, matuojamos ir interpretuojamos savybės, kurios daro tolimesnius stebėjimus ypač vertingais.
Kodėl tai svarbu? Jei tamsioji materija sąveikauja tik gravitaciniu būdu, jos tankio maksimumai turėtų likti daugiausia išsidėstę kartu su galaktikomis, tuo tarpu kolizinės karštosios dujos atsilikusios arba išsisklaidžiusios. Tačiau jei pastebimi reikšmingi poslinkiai arba kiti negravitaciniai efektai, tai apribotų arba pateiktų įrodymų modeliams, kuriuose tamsioji materija turi papildomų savybių — pavyzdžiui, savitarpusiai sąveikaujančiai tamsiajai materijai (self-interacting dark matter, SIDM). Tokie rezultatai būtų svarbūs sprendžiant mažos apimties struktūrų įtampos klausimus ir modeliuojant tamsiosios materijos sklaidą kosmologiniu mastu.
Be to, laiko skalės ir energijos paskirstymo skirtumų nustatymas padėtų patikslinti klasterių dinaminius parametrus: susidūrimo greitį, kampą tarp susidūrimo plokštumos ir linijos-of-sight, bei energijos konversiją tarp kinetinės ir terminės formų. Tokie parametrai yra būtini norint susieti stebimus vaizdus su simuliacijomis ir nustatyti, kuris istorijos modelis labiau atitinka faktinius duomenis.
Padariniai ir tolesni žingsniai
Tolesni darbai apims gilesnes rentgeno ekspozicijas, optinius vaizdus silpno gravitacinio lęšiavimo žemėlapiams sudaryti ir spektroskopines raudonio (redshift) apžvalgas, kad būtų galima tiksliai nustatyti narių galaktikų greičius. Tokie duomenys suteiks tikslesnius masės žemėlapius ir padės nuspręsti, kuris susidūrimo laiko modelis geriausiai atitinka tikrovę. Kartu su pritaikytomis modelių tinklelinėmis simuliacijomis, tai leis apriboti galimas tamsiosios materijos savybes ir įvertinti mikro‑fizikinius procesus intraklasterinėje terpėje.
Konkrečiai, silpno lęšiavimo žemėlapiai (weak lensing maps) padės lokalizuoti bendros masės maksimumus nepriklausomai nuo jų švytėjimo, o gilūs rentgeno duomenys (pvz., Chandra arba XMM‑Newton stebėjimai) leis atsekti temperatūros ir entropijos struktūras, kurias paliko šoko bangos. Spektroskopija (naudojant didelius optinius teleskopus) suteiks skaitinius galaktikų orbitų komponentus bei padės atskirti, kurios galaktikos yra įstrigusios klasteryje, o kurios — tik projekuojasi mūsų vaizde. Visos šios priemonės kartu išaugins masės modelių tikslumą ir leis adekvačiai įvertinti galimus poslinkius tarp komponentų.
Champagne klasteris taip pat yra perspektyvus bandymo laukas tiriant tamsiosios materijos kryžiaus skersmenį (cross-section) masos vienetui (σ/m). Kitų klasterių analizės rodo, kad tokio tipo matavimai gali nustatyti ribas SIDM parametrams arba atmesti tam tikrus negravitacinius sąveikos modelius. Tokiu būdu šis klasteris gali prisidėti prie platesnių pastangų suprasti tamsiosios materijos prigimtį ir jos vaidmenį struktūrų formavime Visatoje.
Specialisto įžvalga
„Sistemos, tokios kaip Champagne klasteris, yra kosminiai avarijų testai“, sako dr. Elena Morales, astrofizikė, specializuojanti klasterių dinamikoje. „Jos leidžia atskirti kolizinio dujų elgesį nuo daugiausia nekolizinių tamsiosios materijos komponentų. Tiksliai nukreiptais rentgeno ir lęšiavimo stebėjimais galime išmatuoti poslinkius ir laiko skalę — o tie matavimai tiesiogiai įtakoja modelius apie tai, ką tamsioji materija gali ir ko negali daryti.“
Kaip teleskopai ir analizės metodai toliau tobulės, tokie klasteriai ir toliau suteiks unikalius apribojimus tamsiosios materijos prigimčiai ir intraklasterinės terpės fizikai. Vis daugiau duomenų leis paversti vizualius, dažnai įspūdingus, astronominius vaizdus į kiekybinius testus fundamentinės fizikos lygyje — nuo tamsiosios materijos savybių iki plazmos termodinamikos ir akceleracijos mechanizmų aukštais energijos lygiais.
Galutinės pasekmės gali išplėsti mūsų supratimą apie kosminės evoliucijos grandines: kaip formuojasi didžiausios Visatos struktūros, kaip energija persiskirsto per susidūrimus ir kaip tamsioji materija formuoja bei palaiko gravitacinius potencialus. Champagne klasteris šio požiūriu yra ne tik vizualiai įspūdingas objektas, bet ir reikšmingas mokslinis iššūkis, kuris paskatins tarptautines stebėjimų kampanijas ir gilias teorines analizes.
Apibendrinant, Champagne klasteris yra svarbi nauja duomenų ir hipotezių erdvė: derindami rentgeno stebėjimus (Chandra), plataus lauko optinius žemėlapius (Legacy Surveys) ir sekančias spektroskopines bei lęšiavimo studijas, astronomai gali sistemingai tirti, kaip susidūrimai keičia klasterių masės pasiskirstymą ir kokias užuominas tai suteikia apie tamsiosios materijos savybes. Tokie tyrimai prisideda prie didesnio mokslinio konsensuso apie struktūrų augimą Visatoje ir atveria duris naujiems atradimams astrofizikoje bei kosmologijoje.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą