We present new weak-lensing observations of 1E 0657-558 (z = 0.296), a unique cluster merger, that enable a direct detection of dark matter, independent of assumptions regarding the nature of the gravitational force law. Due to the collision of two clusters, the dissipationless stellar component and the fluid-like X-ray-emitting plasma are spatially segregated. By using both wide-field ground-based images and HST/ACS images of the cluster cores, we create gravitational lensing maps showing that the gravitational potential does not trace the plasma distribution, the dominant baryonic mass component, but rather approximately traces the distribution of galaxies. An 8 σ significance spatial offset of the center of the total mass from the center of the baryonic mass peaks cannot be explained with an alteration of the gravitational force law and thus proves that the majority of the matter in the system is unseen.

We compare recent results from X-ray, strong lensing, weak lensing, and optical observations with numerical simulations of the merging galaxy cluster 1E 0657–56. X-ray observations reveal a bullet-like subcluster with a prominent bow shock, which gives an estimate for the merger velocity of 4700 km s−1, while lensing results show that the positions of the total mass peaks are consistent with the centroids of the collisionless galaxies (and inconsistent with the X-ray brightness peaks). Previous studies, based on older observational data sets, have placed upper limits on the self-interaction cross section of dark matter per unit mass, σ/m, using simplified analytic techniques. In this work, we take advantage of new, higher quality observational data sets by running full N-body simulations of 1E 0657–56 that include the effects of self-interacting dark matter, and comparing the results with observations. Furthermore, the recent data allow for a new independent method of constraining σ/m, based on the nonobservation of an offset between the bullet subcluster mass peak and galaxy centroid. This new method places an upper limit (68% confidence) of σ/m < 1.25 cm2 g−1. If we make the assumption that the subcluster and the main cluster had equal mass-to-light ratios prior to the merger, we derive our most stringent constraint of σ/m < 0.7 cm2 g−1, which comes from the consistency of the subcluster's observed mass-to-light ratio with the main cluster's, and with the universal cluster value, ruling out the possibility of a large fraction of dark matter particles being scattered away due to collisions. Our limit is a slight improvement over the previous result from analytic estimates, and rules out most of the 0.5-5 cm2 g−1 range invoked to explain inconsistencies between the standard collisionless cold dark matter model and observations.

We present a weak-lensing mass reconstruction of the interacting cluster 1E 0657-558, in which we detect both the main cluster and a subcluster. The subcluster is identified as a smaller cluster that has just undergone initial infall and pass-through of the primary cluster and has been previously identified in both optical surveys and X-ray studies. The X-ray gas has been separated from the galaxies by ram pressure-stripping during the pass-through. The detected mass peak is located between the X-ray peak and galaxy concentration, although the position is consistent with the galaxy centroid within the errors of the mass reconstruction. We find that the mass peak for the main cluster is in good spatial agreement with the cluster galaxies and is offset from the X-ray halo at 3.4 σ significance, and we determine that the mass-to-light ratios of the two components are consistent with those of relaxed clusters. The observed offsets of the lensing mass peaks from the peaks of the dominant visible mass component (the X-ray gas) directly demonstrate the presence, and dominance, of dark matter in this cluster. This proof of dark matter existence holds true even under the assumption of modified Newtonian dynamics (MOND); based on the observed gravitational shear-optical light ratios and the mass peak-X-ray gas offsets, the dark matter component in a MOND regime would have a total mass that is at least equal to the baryonic mass of the system.