Forskere, der bruger pulsarmålinger til at undersøge mørkt stof, finder ud af, at Mælkevejsgalaksen er meget dynamisk

Mørkt stof udgør mere end 80 % af alt stof i kosmos, men er usynligt for konventionel observation, fordi det tilsyneladende ikke interagerer med lys eller elektromagnetiske felter. Nu har Dr. Sukanya Chakrabarti, Pei-Ling Chan Endowed Chair i College of Science ved University of Alabama i Huntsville (UAH), sammen med hovedforfatter Dr. Tom Donlon, en UAH postdoc associeret, skrevet et papir for at hjælpe med at belyse hvor meget mørkt stof der er i vores galakse, og hvor det opholder sig ved at studere tyngdeaccelerationen af ​​binære pulsarer.

Chakrabarti holdt et plenarforedrag om dette arbejde og andre metoder til at måle galaktiske accelerationer på det 243. møde i American Astronomical Society i New Orleans i januar. Resultaterne er også offentliggjort på arXiv preprint server.

Pulsarer er hurtigt roterende neutronstjerner, der sprænger strålingsimpulser ud med regelmæssige intervaller fra sekunder til millisekunder. En binær pulsar er en pulsar med en ledsager, der gør det muligt for fysikere at teste generel relativitet på grund af de stærke gravitationsfelter, der ledsager disse objekter. "Pulsarer er fantastiske galaktiske ure, der har en timingstabilitet, der kan konkurrere med atomure," forklarer Chakrabarti.

"Pulsarer er blevet brugt i årtier i præcisionstest af den generelle relativitetsteori. Vi bruger dem til direkte at måle de bittesmå accelerationer af stjerner, der lever i gravitationspotentialet i vores galakse. Disse accelerationer er kun omkring 10 centimeter pr. sekund over en årti, eller om hastigheden af ​​en kravlende baby, hvorfor det tidligere har været vanskeligt at måle disse små ændringer.

NANOGrav, eller det nordamerikanske Nanohertz-observatorium for gravitationsbølger, er et konsortium af astronomer, der detekterer gravitationsbølger ved hjælp af Green Bank Telescope, Arecibo Observatory, Very Large Array og Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment.

"Ved at opnå ekstreme præcisionsmålinger af accelerationer har vi nu den mest direkte sonde af galaksens gravitationspotentiale ud over, hvad der er blevet gjort inden for astronomi i det sidste århundrede," bemærker Chakrabarti. "Der er nu mange uafhængige bevislinjer, der viser, at galaksen faktisk har haft en meget dynamisk historie. Toms analyse af den større pulsar timing prøve viser direkte for første gang, at galaksen er blevet forstyrret af dynamiske interaktioner, såsom ved at passere dværg galakser."

At opnå en nøjagtig model af galaksens gravitationspotentiale forårsaget af mørkt stof er noget som at tælle krusningerne på en dam, efter at stenen er kastet.

"Vi brugte enhver pulsar, vi kunne få, så længe den havde alle de mål, vi har brug for," siger hovedforfatter Donlon. "For at kunne måle en acceleration fra en pulsar, skal de være i et stabilt binært system. Du skal også vide, hvor langt væk pulsaren er, dens bevægelse på himlen og detaljer om dens kredsløb; alle disse ting kræver ekstremt præcise målinger, der tager mange års observationer! Som tiden går, bør vi have flere pulsarer, vi kan bruge til fremtidige undersøgelser."

Donlon rapporterer, at der er to hovedmåder, hvorpå disse accelerationer hjælper os med at lære om universet. "Den første er, at binære pulsarer udsender gravitationsbølger, som får deres kredsløb til at blive mindre med tiden, og til sidst styrter de to objekter ind i hinanden. Fordi gravitationsfeltet er meget stærkt i denne type system, og pulsar timing-målingerne er meget præcise, er det muligt at teste forudsigelserne fra den generelle relativitetsteori mod det observerede henfald af pulsarens kredsløb.

"Den anden måde er gennem test af mørkt stof. Mørkt stof kan ikke ses, men interagerer stadig med regulært stof gennem tyngdekraften, og at yderligere tyngdekraft forårsager accelerationer på disse pul-SARS. Ved at sammenligne de accelerationer, vi faktisk ser med accelerationerne vi forventer at få fra bare normalt stof, vi kan finde ud af hvor meget mørkt stof der er, og hvor det er."

Når vi ser på fremtiden for denne forskning, konkluderer Donlon:"Vi kan planlægge eksperimenter, der kræver mange flere pulsarer, hvilket vil blive muligt, efterhånden som vi får flere pulsar timing målinger. Efterhånden som antallet af datapunkter vokser, vil vi være i stand til at kortlægge vores galakse gravitationsfelt med utrolig præcision, inklusive ting som enhver klumper af mørkt stof."

Flere oplysninger: Thomas Donlon et al., Galactic Structure From Binary Pulsar Accelerations:Beyond Smooth Models, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2401.15808

Journaloplysninger: arXiv

Leveret af University of Alabama i Huntsville