Под руководством Суканья Чакрабарти из Института перспективных исследований с сотрудниками из Рочестерского технологического института, Университета Рочестера и Университета Висконсин-Милуоки команда использовала данные пульсара для измерения радиального и вертикального ускорения звезд внутри и за пределами галактической плоскости. Основываясь на этих новых высокоточных измерениях и известном количестве видимого вещества в галактике, исследователи смогли вычислить плотность темной материи Млечного Пути, не делая обычного предположения, что галактика находится в стационарном состоянии.
«Наш анализ не только дает нам первое измерение крошечных ускорений, испытываемых звездами в галактике, но также открывает возможность расширить эту работу, чтобы понять природу темной материи и, в конечном счете, темной энергии в более крупных масштабах», – заявил Чакрабарти. , ведущий автор статьи и нынешний член и научный сотрудник IBM Einstein в Институте перспективных исследований.
Звезды несутся по галактике со скоростью сотни километров в секунду, но это исследование показывает, что изменение их скорости происходит буквально со скоростью улитки – несколько сантиметров в секунду, что примерно равно скорости ползущего младенца.
Чтобы обнаружить это тонкое движение, исследовательская группа полагалась на сверхточную способность удерживать время пульсаров, которые широко распространены по галактической плоскости и гало – диффузной сферической области, окружающей галактику.
"Используя уникальные свойства пульсаров, мы смогли измерить очень небольшие ускорения в Галактике. Наша работа открывает новое окно в галактической динамике », – сказал соавтор Филип Чанг из Университета Висконсин-Милуоки.
Ореол простирается примерно на 300000 световых лет от центра Галактики и может дать важные подсказки для понимания темной материи, которая составляет около 90 процентов массы галактики и сильно сконцентрирована над и под звездно-плотной галактической плоскостью.
На звездное движение в этой конкретной области – основное внимание данного исследования – может влиять темная материя. Используя измерения локальной плотности, полученные в ходе этого исследования, исследователи теперь будут лучше понимать, как и где искать темную материю.
В то время как предыдущие исследования предполагали состояние галактического равновесия для расчета средней плотности массы, это исследование основано на естественном, неравновесном состоянии галактики. Это можно сравнить с разницей между поверхностью пруда до и после того, как в него бросили камень. Учтя «рябь», команда смогла получить более точную картину реальности. Хотя в данном случае, а не камни, Млечный Путь находится под влиянием бурной истории слияния галактик и продолжает возмущаться внешними карликовыми галактиками, такими как Малое и Большое Магеллановы Облака.
В результате звезды не имеют плоских орбит и имеют тенденцию следовать по пути, подобному пути искривленной виниловой пластинки, пересекая выше и ниже галактической плоскости. Одним из ключевых факторов, позволивших использовать этот метод прямых наблюдений, было использование данных о пульсарах, собранных в результате международного сотрудничества, в том числе NANOGrav (Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн), которая получила данные с телескопов Green Bank и Arecibo.
Этот знаменательный документ расширяет работу Яна Х. Оорт (1932); Джон Бэколл (1984); Куйкен и Гилмор (1989); Холмберг и Флинн (2000); Джо Бови и Скотт Тремейн (2012) для расчета средней плотности массы в галактической плоскости (предел Оорта) и локальной плотности темной материи.
Ученые IAS, включая Оорта, Бахколла, Бови, Тремейна и Чакрабарти, сыграли важную роль в продвижении этой области исследований.
«На протяжении веков астрономы измеряли положение и скорость звезд, но они дают только снимок сложного динамического поведения галактики Млечный Путь», – заявил Скотт Тремейн, почетный профессор Института перспективных исследований. "Ускорения, измеренные Чакрабарти и ее сотрудниками, напрямую вызваны гравитационными силами материи в галактике, как видимой, так и темной, и, таким образом, обеспечивают новое и многообещающее окно в распределении и составе вещества в галактике и вселенная."
Эта конкретная статья позволит провести широкий спектр будущих исследований. Точные измерения ускорений также скоро станут возможны с использованием дополнительного метода лучевых скоростей, который Чакрабарти разработал ранее в этом году, который измеряет изменение скорости звезд с высокой точностью. Эта работа также позволит более детально моделировать Млечный Путь, улучшить ограничения общей теории относительности и дать подсказки в поисках темной материи.
Расширение этого метода может в конечном итоге позволить нам напрямую измерить космическое ускорение.
Хотя прямая фотография нашей родной галактики – аналогичная той, что была сделана на Земле астронавтами Аполлона – пока невозможна, это исследование предоставило важные новые детали, которые помогут представить динамическую организацию галактики изнутри.