science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Metingen van pulsarversnelling onthullen de donkere kant van Melkweg

De rimpelingen in de Melkwegschijf worden getoond, samen met het getijdepuin van het Boogschutter-dwergstelsel. De pulsars die door Chakrabarti et al 2021 zijn geanalyseerd om galactische versnellingen te berekenen, worden weergegeven in de inzet. Krediet:IAS; Dana Berry

Het is bekend dat de uitdijing van het heelal versnelt door een mysterieuze donkere energie. Binnen sterrenstelsels, sterren ervaren ook een versnelling, hoewel dit te wijten is aan een combinatie van donkere materie en de stellaire dichtheid. In een nieuwe studie die wordt gepubliceerd in Astrofysische journaalbrieven onderzoekers hebben nu de eerste directe meting verkregen van de gemiddelde versnelling die plaatsvindt in ons eigen sterrenstelsel, De melkweg. Onder leiding van Sukanya Chakrabarti van het Institute for Advanced Study met medewerkers van het Rochester Institute of Technology, Universiteit van Rochester, en Universiteit van Wisconsin-Milwaukee, het team gebruikte pulsargegevens om de radiale en verticale versnellingen van sterren binnen en buiten het galactische vlak te klokken. Op basis van deze nieuwe uiterst nauwkeurige metingen en de bekende hoeveelheid zichtbare materie in de melkweg, onderzoekers konden vervolgens de dichtheid van donkere materie van de Melkweg berekenen zonder de gebruikelijke veronderstelling te maken dat de melkweg zich in een stabiele toestand bevindt.

"Onze analyse geeft ons niet alleen de eerste meting van de kleine versnellingen die sterren in de melkweg ervaren, maar opent ook de mogelijkheid om dit werk uit te breiden om de aard van donkere materie te begrijpen, en uiteindelijk donkere energie op grotere schaal, " verklaarde Chakrabarti, de hoofdauteur van de paper en een huidig ​​lid en IBM Einstein Fellow bij het Institute for Advanced Study.

Sterren razen door de melkweg met honderden kilometers per seconde, toch geeft deze studie aan dat de verandering in hun snelheden plaatsvindt met een letterlijk slakkengang - een paar centimeter per seconde, wat ongeveer even snel is als een kruipende baby. Om deze subtiele beweging te detecteren, vertrouwde het onderzoeksteam op het ultraprecieze tijdwaarnemingsvermogen van pulsars die wijd verspreid zijn over het galactische vlak en halo - een diffuus bolvormig gebied dat de melkweg omringt.

"Door gebruik te maken van de unieke eigenschappen van pulsars, we waren in staat om zeer kleine versnellingen in de Melkweg te meten. Ons werk opent een nieuw venster in galactische dynamiek, " zei co-auteur Philip Chang van de Universiteit van Wisconsin-Milwaukee.

Uitlopend naar buiten ongeveer 300, 000 lichtjaar van het galactische centrum, de halo kan belangrijke hints geven om donkere materie te begrijpen, die goed is voor ongeveer 90 procent van de massa van de melkweg en zeer geconcentreerd is boven en onder het sterrendichte galactische vlak. Stellaire beweging in dit specifieke gebied - een primaire focus van deze studie - kan worden beïnvloed door donkere materie. Gebruikmakend van de lokale dichtheidsmetingen verkregen door dit onderzoek, onderzoekers zullen nu een beter idee hebben van hoe en waar ze naar donkere materie moeten zoeken.

Terwijl eerdere studies uitgingen van een toestand van galactisch evenwicht om de gemiddelde massadichtheid te berekenen, dit onderzoek is gebaseerd op de natuurlijke, niet-evenwichtstoestand van de melkweg. Je zou dit kunnen vergelijken met het verschil tussen het oppervlak van een vijver voor en nadat een steen erin is gegooid. Door rekening te houden met de "rimpelingen" kon het team een ​​nauwkeuriger beeld van de werkelijkheid krijgen. Hoewel in dit geval in plaats van stenen, de Melkweg wordt beïnvloed door een turbulente geschiedenis van galactische fusies en wordt nog steeds verstoord door externe dwergstelsels zoals de Kleine en Grote Magelhaense Wolken. Als resultaat, sterren hebben geen vlakke banen en hebben de neiging om een ​​pad te volgen dat lijkt op dat van een kromgetrokken vinylplaat, boven en onder het galactische vlak kruisen. Een van de belangrijkste factoren die deze directe observatiebenadering mogelijk maakten, was het gebruik van pulsargegevens die waren verzameld uit internationale samenwerkingen, waaronder NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) dat gegevens heeft verkregen van de Green Bank- en Arecibo-telescopen.

Dit baanbrekende document bouwt voort op het werk van Jan H. Oort (1932); John Bahcall (1984); Kuijken &Gilmore (1989); Holmberg &Flynn (2000); Jo Bovy &Scott Tremaine (2012) om de gemiddelde massadichtheid in het galactische vlak (Oort-limiet) en de lokale dichtheid van donkere materie te berekenen. IAS-wetenschappers waaronder Oort, Bahcall, Bovy, Tremaine, en Chakrabarti hebben een belangrijke rol gespeeld bij het bevorderen van dit onderzoeksgebied.

"Al eeuwenlang hebben astronomen de posities en snelheden van sterren gemeten, maar deze bieden slechts een momentopname van het complexe dynamische gedrag van het Melkwegstelsel, " verklaarde Scott Tremaine, Emeritus hoogleraar aan het Institute for Advanced Study. "De versnellingen gemeten door Chakrabarti en haar medewerkers worden direct veroorzaakt door de zwaartekrachten van de materie in de melkweg, zowel zichtbaar als donker, en daarmee een nieuw en veelbelovend venster te bieden op de verspreiding en de samenstelling van de materie in de melkweg en het universum."

Dit specifieke artikel zal een breed scala aan toekomstige studies mogelijk maken. Nauwkeurige metingen van versnellingen zullen binnenkort ook mogelijk zijn met behulp van de complementaire radiale snelheidsmethode die Chakrabarti eerder dit jaar ontwikkelde, die de verandering in de snelheid van sterren met hoge precisie meet. Dit werk zal ook meer gedetailleerde simulaties van de Melkweg mogelijk maken, de beperkingen op de algemene relativiteitstheorie verbeteren, en aanwijzingen geven bij het zoeken naar donkere materie. Uitbreidingen van deze methode kunnen ons uiteindelijk in staat stellen om ook de kosmische versnelling direct te meten.

Hoewel een directe foto van ons eigen sterrenstelsel - vergelijkbaar met die van de aarde gemaakt door de Apollo-astronauten - nog niet mogelijk is, deze studie heeft essentiële nieuwe details opgeleverd om de dynamische organisatie van de melkweg van binnenuit te helpen visualiseren.