Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

Målinger af pulsaracceleration afslører Mælkevejenes mørke side

Krusningerne i Mælkevejsskiven er vist, sammen med tidevandsrester fra Sagittarius dværggalaksen. Pulsarerne analyseret af Chakrabarti et al 2021 for at beregne galaktiske accelerationer er vist i indsættelsen. Kredit:IAS; Dana Berry

Det er velkendt, at universets udvidelse accelererer på grund af en mystisk mørk energi. Inden for galakser, stjerner oplever også en acceleration, selvom dette skyldes en kombination af mørkt stof og stjernedensiteten. I en ny undersøgelse, der skal offentliggøres i Astrofysiske tidsskriftsbreve forskere har nu opnået den første direkte måling af den gennemsnitlige acceleration, der finder sted i vores hjemmegalakse, Mælkevejen. Ledet af Sukanya Chakrabarti ved Institute for Advanced Study med samarbejdspartnere fra Rochester Institute of Technology, University of Rochester, og University of Wisconsin-Milwaukee, holdet brugte pulsardata til at måle de radiale og lodrette accelerationer af stjerner inden for og uden for det galaktiske plan. Baseret på disse nye højpræcisionsmålinger og den kendte mængde synligt stof i galaksen, forskere var derefter i stand til at beregne Mælkevejens tæthed af mørkt stof uden at gøre den sædvanlige antagelse, at galaksen er i en steady-state.

"Vores analyse giver os ikke kun den første måling af de små accelerationer, som stjerner i galaksen oplever, men åbner også muligheden for at udvide dette arbejde til at forstå naturen af ​​mørkt stof, og i sidste ende mørk energi på større skalaer, " sagde Chakrabarti, papirets hovedforfatter og et nuværende medlem og IBM Einstein Fellow ved Institute for Advanced Study.

Stjerner suser gennem galaksen med hundredvis af kilometer i sekundet, alligevel indikerer denne undersøgelse, at ændringen i deres hastigheder sker i bogstavelig talt sneglefart - nogle få centimeter pr. hvilket er omtrent samme hastighed som en kravlende baby. For at detektere denne subtile bevægelse stolede forskerholdet på den ultrapræcise tidsholdende evne hos pulsarer, der er vidt fordelt over hele det galaktiske plan og haloen - et diffust sfærisk område, der omgiver galaksen.

"Ved at udnytte de unikke egenskaber ved pulsarer, vi var i stand til at måle meget små accelerationer i galaksen. Vores arbejde åbner et nyt vindue i galaktisk dynamik, " sagde medforfatter Philip Chang fra University of Wisconsin-Milwaukee.

Strækker sig udad omkring 300, 000 lysår fra det galaktiske centrum, glorien kan give vigtige hints til at forstå mørkt stof, som tegner sig for omkring 90 procent af galaksens masse og er stærkt koncentreret over og under det stjernetætte galaktiske plan. Stjernernes bevægelse i denne særlige region - et primært fokus for denne undersøgelse - kan påvirkes af mørkt stof. Ved at bruge de lokale tæthedsmålinger opnået gennem denne undersøgelse, forskere vil nu have en bedre idé om, hvordan og hvor man skal lede efter mørkt stof.

Mens tidligere undersøgelser antog en tilstand af galaktisk ligevægt for at beregne den gennemsnitlige massetæthed, denne forskning er baseret på det naturlige, galaksens ikke-ligevægtstilstand. Man kan sammenligne dette med forskellen mellem overfladen af ​​en dam før og efter en sten er kastet i. Ved at tage højde for "bølgerne" var holdet i stand til at få et mere præcist billede af virkeligheden. Selvom i dette tilfælde, frem for sten, Mælkevejen er påvirket af en turbulent historie med galaktiske fusioner og bliver fortsat forstyrret af eksterne dværggalakser som de små og store magellanske skyer. Som resultat, stjerner har ikke flade baner og har en tendens til at følge en sti, der ligner den for en skæv vinylplade, krydser over og under det galaktiske plan. En af nøglefaktorerne, der muliggjorde denne direkte observationstilgang, var brugen af ​​pulsardata, der er udarbejdet fra internationale samarbejder, herunder NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves), der har indhentet data fra Green Bank- og Arecibo-teleskoperne.

Dette skelsættende papir udvider arbejdet af Jan H. Oort (1932); John Bahcall (1984); Kuijken &Gilmore (1989); Holmberg &Flynn (2000); Jo Bovy &Scott Tremaine (2012) til at beregne den gennemsnitlige massetæthed i det galaktiske plan (Oort-grænsen) og den lokale tæthed af mørkt stof. IAS-forskere inklusive Oort, Bahcall, Bovy, Tremaine, og Chakrabarti har spillet en vigtig rolle i at fremme dette forskningsområde.

"I århundreder har astronomer målt stjernernes positioner og hastigheder, men disse giver kun et øjebliksbillede af Mælkevejens komplekse dynamiske adfærd, " sagde Scott Tremaine, Professor emeritus ved Institute for Advanced Study. "Accelerationerne målt af Chakrabarti og hendes samarbejdspartnere er direkte forårsaget af gravitationskræfterne fra stoffet i galaksen, både synlige og mørke, og derved give et nyt og lovende vindue til fordelingen og sammensætningen af ​​stoffet i galaksen og universet."

Dette særlige papir vil muliggøre en bred vifte af fremtidige undersøgelser. Nøjagtige målinger af accelerationer vil også snart være mulige ved hjælp af den komplementære radialhastighedsmetode, som Chakrabarti udviklede tidligere i år, som måler ændringen i stjerners hastighed med høj præcision. Dette arbejde vil også muliggøre mere detaljerede simuleringer af Mælkevejen, forbedre begrænsninger for generel relativitetsteori, og give spor i søgen efter mørkt stof. Udvidelser af denne metode kan i sidste ende give os mulighed for direkte også at måle den kosmiske acceleration.

Mens et direkte billede af vores hjemmegalakse - svarende til dem på Jorden taget af Apollo-astronauterne - endnu ikke er muligt, denne undersøgelse har givet væsentlige nye detaljer for at hjælpe med at forestille sig den dynamiske organisering af galaksen indefra.


Varme artikler