Donkere materie omvat meer dan 80% van alle materie in de kosmos, maar is onzichtbaar voor conventionele observatie, omdat het schijnbaar geen interactie heeft met licht of elektromagnetische velden. Nu hebben Dr. Sukanya Chakrabarti, de Pei-Ling Chan Endowed Chair aan het College of Science aan de Universiteit van Alabama in Huntsville (UAH), samen met hoofdauteur Dr. Tom Donlon, een postdoctoraal medewerker van de UAH, een artikel geschreven om te helpen verhelderen hoeveel donkere materie er in onze Melkweg is en waar deze zich bevindt, door de zwaartekrachtversnelling van binaire pulsars te bestuderen.

Chakrabarti hield een plenaire lezing over dit werk en andere methoden om galactische versnellingen te meten tijdens de 243e bijeenkomst van de American Astronomical Society in New Orleans in januari. De bevindingen worden ook op de arXiv geplaatst preprint-server.

Pulsars zijn snel roterende neutronensterren die met regelmatige tussenpozen, variërend van seconden tot milliseconden, stralingspulsen uitstoten. Een binaire pulsar is een pulsar met een begeleider waarmee natuurkundigen de algemene relativiteitstheorie kunnen testen vanwege de sterke zwaartekrachtvelden die deze objecten vergezellen. "Pulsars zijn fantastische galactische klokken met een timingstabiliteit die kan wedijveren met atoomklokken", legt Chakrabarti uit.

‘Pulsars worden al tientallen jaren gebruikt bij precisietests van de algemene relativiteitstheorie. We gebruiken ze om rechtstreeks de kleine versnellingen te meten van sterren die in het zwaartekrachtpotentieel van onze Melkweg leven. Deze versnellingen bedragen slechts ongeveer 10 centimeter per seconde over een periode van één seconde. tien jaar, of ongeveer de snelheid van een kruipende baby, en daarom was het voorheen moeilijk om deze kleine veranderingen te meten. De pulsar-timinggegevens van faciliteiten zoals NANOGrav en andere pulsar-timingfaciliteiten maakten de metingen haalbaar."

NANOGrav, of het Noord-Amerikaanse Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, is een consortium van astronomen die zwaartekrachtgolven detecteren met behulp van de Green Bank Telescope, Arecibo Observatory, de Very Large Array en het Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment.

‘Door extreem nauwkeurige metingen van versnellingen te verkrijgen, hebben we nu de meest directe sonde van het zwaartekrachtpotentieel van de Melkweg, die verder gaat dan wat er de afgelopen eeuw in de astronomie is gedaan’, merkt Chakrabarti op. ‘Er zijn nu veel onafhankelijke bewijslijnen die aantonen dat het sterrenstelsel feitelijk een zeer dynamische geschiedenis heeft gehad. Tom’s analyse van het grotere pulsar-timingmonster laat voor het eerst direct zien dat het sterrenstelsel is verstoord door dynamische interacties, zoals door passerende dwergen. sterrenstelsels."

Het verkrijgen van een nauwkeurig model van het zwaartekrachtpotentieel van het sterrenstelsel, veroorzaakt door donkere materie, is zoiets als het tellen van de rimpelingen in een vijver nadat de steen is gegooid.

"We hebben elke pulsar gebruikt die we konden krijgen, zolang deze maar alle metingen had die we nodig hadden", zegt hoofdauteur Donlon. “Om de versnelling van een pulsar te meten, moeten ze zich in een stabiel binair systeem bevinden. Je moet ook weten hoe ver de pulsar verwijderd is, wat zijn beweging aan de hemel is en details over zijn baan; al deze dingen vereisen uiterst nauwkeurige metingen die jaren van observatie vergen! Naarmate de tijd verstrijkt, zouden we meer pulsars moeten hebben die we kunnen gebruiken voor toekomstige studies."

Donlon meldt dat er twee belangrijke manieren zijn waarop deze versnellingen ons helpen meer over het universum te leren. ‘De eerste is dat binaire pulsars zwaartekrachtgolven uitzenden, waardoor hun banen in de loop van de tijd kleiner worden, en uiteindelijk botsen de twee objecten tegen elkaar. Omdat het zwaartekrachtveld in dit soort systemen erg sterk is en de timingmetingen van de pulsar zeer nauwkeurig zijn, is het mogelijk om de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie te testen aan de hand van het waargenomen verval van de baan van de pulsar.

"De tweede manier is door middel van tests met donkere materie. Donkere materie kan niet worden gezien, maar heeft nog steeds interactie met gewone materie door middel van zwaartekracht, en die extra zwaartekracht veroorzaakt versnellingen op deze pul-SARS. Door de versnellingen die we daadwerkelijk zien te vergelijken met de versnellingen we verwachten uit normale materie te halen, kunnen we erachter komen hoeveel donkere materie er is, en waar die zich bevindt."

Kijkend naar de toekomst van dit onderzoek concludeert Donlon:‘We kunnen experimenten plannen waarvoor veel meer pulsars nodig zijn, wat mogelijk zal worden naarmate we meer pulsar-timingmetingen krijgen. Naarmate het aantal datapunten groeit, zullen we in staat zijn om de sterrenstelsels van ons sterrenstelsel in kaart te brengen. zwaartekrachtveld met ongelooflijke precisie, inclusief zaken als klontjes donkere materie."

Meer informatie: Thomas Donlon et al, Galactische structuur van binaire pulsarversnellingen:meer dan vloeiende modellen, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2401.15808

Journaalinformatie: arXiv

Aangeboden door de Universiteit van Alabama in Huntsville