这两个星系团被统称为 MACS J0018.5+1626，每个星系团都包含数千个星系，距离地球数十亿光年。当它们相互碰撞时，暗物质的速度超过了正常物质。

星系团合并是检验星系团天体物理学和宇宙学的丰富信息来源。

然而，星团合并会产生复杂的投影信号，很难从单个观测探测器进行物理解释。

加州理工学院和哈佛-史密森天体物理中心的天文学家艾米丽·西利奇说：“想象一下多辆载着沙子的自卸卡车发生大规模碰撞。暗物质就像沙子一样飞向前方。”

暗物质与正常物质的这种分离以前也曾被发现过，最著名的一次是在子弹星团中。

在那次碰撞中，可以清楚地看到两个星系团相互穿过后，热气体落后于暗物质。

MACS J0018.5+1626 中发生的情况类似，但合并的方向旋转了，相对于子弹星团的方向大约旋转了 90 度。

换句话说，MACS J0018.5+1626 中的一个质量巨大的星团正几乎笔直地向地球飞来，而另一个则正在飞离地球。

这种方向为研究人员提供了一个独特的有利位置，使他们首次能够绘制出暗物质和正常物质的速度，并阐明它们在星系团碰撞过程中如何相互分离。

加州理工学院的杰克·塞耶斯教授说：“使用 Bullet Cluster，我们就像坐在看台上观看赛车一样，能够捕捉到赛车在直道上从左到右行驶的美丽快照。”

“对于我们来说，这更像是在直道上拿着雷达枪，站在向我们驶来的汽车前面，并能够测量它的速度。”

为了测量星团中正常物质或气体的速度，天文学家使用了一种称为动能苏尼亚耶夫-泽尔多维奇(SZ)效应的观察方法。

早在 2013 年，他们就首次对单个宇宙物体(名为 MACS J0717 的星系团)的动能 SZ 效应进行了观测探测。

当来自早期宇宙的光子，即宇宙微波背景 (CMB)，在向地球飞行的途中与热气体中的电子发生散射时，就会发生动能 SZ 效应。

由于气体云中电子沿我们的视线运动，光子会发生偏移，称为多普勒频移。

通过测量由于这种变化而引起的 CMB 亮度变化，天文学家可以确定星系团内气体云的速度。

到 2019 年，研究作者已经在几个星系团中进行了这些动能 SZ 测量，从而了解了气体或正常物质的速度。

他们还测量了星系团中星系的速度，从而间接地知道了暗物质的速度。

但在研究的这个阶段，他们对于星团的方向的理解有限。

他们只知道其中一颗行星，MACS J0018.5+1626，出现了一些奇怪现象的迹象——热气体，或者说正常物质，正朝着与暗物质相反的方向运动。

塞耶斯教授说：“我们发现了这个完全奇怪的现象，速度方向相反，起初我们还以为可能是我们的数据出了问题。”

“甚至连我们模拟星系团的同事也不知道到底发生了什么。”

随后，科学家们利用美国宇航局钱德拉 X 射线天文台的数据来揭示星团中气体的温度和位置，以及气体受到冲击的程度。

西利奇说：“这些星系团碰撞是自大爆炸以来最剧烈的现象。”

“钱德拉测量了气体的极端温度，并告诉我们合并的年龄以及星团碰撞的时间。”

作者发现，在碰撞之前，这两个星系团以大约每秒 3,000 公里的速度相互靠近，这大约相当于光速的百分之一。

通过更全面地了解正在发生的事情，他们能够弄清楚为什么暗物质和正常物质似乎朝着相反的方向运动。

尽管他们说这很难想象，但碰撞的方向，再加上暗物质和正常物质相互分离的事实，解释了奇怪的速度测量结果。

他们希望未来更多类似的研究能够为揭开暗物质神秘本质提供新的线索。

西利奇说：“这项研究是更详细研究暗物质本质的起点。”

“我们有一种新型直接探测器，可以显示暗物质的行为与正常物质的不同之处。”

该研究结果发表在《天体物理学杂志》上。

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