天文學家藉由觀測兩個星系團的碰撞，首次直接探測到暗物質和普通物質速度解耦的現象。在這次碰撞中，星系團巨大的暗物質暈與普通物質解耦。這兩個星系團各自包含數千個星系，距離地球數十億光年。在它們相互碰撞並穿越時，暗物質速度超前於普通物質。
星系團是已知宇宙中最大的結構之一，數百至數千個星系藉由重力束縛在一起成為星系團。在星系團中，只有15%的質量是來自普通物質，即構成行星、人類和我們周圍一切的物質。在這些普通物質中，絕大部分是熱氣體，剩下的則是恆星和行星。其餘85%的星系團質量則是來自暗物質，在星系團的結構中稱為暗物質暈。這次被觀測到的碰撞星系團編號為MACS J0018.5+1626（以下簡稱MACS J0018.5）。在星系團碰撞過程中，每個單一星系本身基本上未受損害，因為星系與星系之間的空間非常寬闊，碰撞的過程就如同兩群稀疏的人群互相穿越。然而，在星系團中星系之間的熱氣體在碰撞時會被擠壓。雖然所有物質，包括普通物質和暗物質，都受到重力牽引，但只有普通物質之間會有電磁力作用，這在碰撞過程中會使熱氣體因擠壓而減速。因此，當熱氣體被拖累時，兩個星系團的暗物質暈卻載著星系順利穿過，因而觀測到暗物質在碰撞方向上運動速度超前於代表大量普通物質的熱氣體。
圖說：這幅藝術概念圖展示了星系團MACS J0018.5碰撞時所發生的情況，星系團中的暗物質（藍色）速度超前於熱氣體（橙色）。Credit: W.M. Keck Observatory/Adam Makarenko
暗物質和普通物質的解耦現象之前也曾被觀察到，最著名的是子彈星系團。在那次碰撞中，熱氣體明顯的落後於暗物質，兩個星系團相互穿越後的情況清晰可見。MACS J0018.5也發生了類似情況，但合併的方向相對於子彈星系團旋轉了大約90度。換句話說，MACS J0018.5中的一個巨型星系團幾乎直接朝向地球飛行，而另一個則朝相反方向飛去。這樣的方向使研究人員首次能夠從獨特的視角出發，繪製出暗物質和普通物質的速度圖，並瞭解它們在星系團碰撞過程中的解耦方式。研究人員比喻，在子彈星系團中，就像我們坐在看臺上觀看賽車比賽，可以捕捉到賽車在車道上從左向右移動的快照；而在MACS J0018.5案例中，更像是我們站在車道上，拿著雷達槍站在車前，測量它的速度。
測量星系團熱氣體的速度是藉由Sunyaev-Zel’dovich效應，簡稱SZ效應。從2006年開始，研究團隊就使用加州理工學院毫米波望遠鏡及智利的阿塔卡瑪毫米波天文望遠鏡陣列（ALMA）收集MACS J0018.5的SZ效應。SZ效應是指宇宙微波背景輻射的光子（稱為CMB光子）在朝向觀測者移動的過程中與星系團中熱氣體中的電子碰撞，使得CMB光子在頻率上產生變化。CMB光子會藉由與熱氣體碰撞獲得更多能量而使得頻率變高（波長變短）。熱氣體的速度越快，CMB光子碰撞後獲得的能量就越高。因此透過測量CMB光子的頻率變化，研究人員可以確定星系團中熱氣體的速度。
另一方面，錢卓拉X射線太空望遠鏡的資料測量了星系團熱氣體被壓縮後的極端溫度，可以得知星系團發生碰撞的時間及年齡。最後，利用哈伯太空望遠鏡的觀測資料，透過重力透鏡效應繪製了暗物質的分佈。此外，其他研究團隊也合作模擬了星系團的碰撞，這些模擬結合各個望遠鏡的資料，最終確定了星系團碰撞的幾何形狀和演化階段。天文學家發現，在碰撞之前，星系團以大約每秒3,000公里（相當於光速的約1%）的速度向彼此移動。
未來，研究人員希望以更多類似的研究來揭示暗物質的本質。這項研究展示了暗物質與普通物質的不同行為，也是對暗物質性質進行更詳細研究的起點。相關研究結果已發表在《The Astrophysical Journal》（Silich et al. 2024）。（編譯／段皓元）
資料來源：Caltech
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