Astronomowie badający przyspieszenie grawitacyjne podwójnego pulsara określają, ile ciemnej materii znajduje się w Galaktyce.
Ciemna materia stanowi ponad 80% całej materii w kosmosie, ale jest niewidoczna dla konwencjonalnych obserwacji, ponieważ pozornie nie wchodzi w interakcje ze światłem lub polami elektromagnetycznymi. Teraz dr Sukanya Chakrabarti, Pei-Ling Chan Endowed Chair w Col-lege of Science na Uniwersytecie Alabama w Huntsville (UAH), wraz głównym autorem dr. Tomem Donlonem z UAH, napisali artykuł, który pomoże wyjaśnić, ile ciemnej materii znajduje się w naszej Galaktyce i gdzie się ona znajduje, badając przyspieszenie grawitacyjne podwójnych pulsarów.
Pulsary to szybko rotujące gwiazdy neutronowe, które emitują impulsy promieniowania w regularnych odstępach czasu, od sekund do milisekund. Pulsar podwójny to pulsar z towarzyszem, co pozwala fizykom testować ogólną teorię względności z uwagi na silne pola grawitacyjne. Pulsary są fantastycznymi galaktycznymi zegarami, których stabilność czasowa konkuruje z zegarami atomowymi – powiedziała Chakrabarti. Pulsary są wykorzystywane od dziesięcioleci w precyzyjnych testach ogólnej teorii względności. Używamy ich do bezpośredniego pomiaru niewielkich przyspieszeń gwiazd, które żyją w potencjale grawitacyjnym naszej Galaktyki. Przyspieszenia te wynoszą zaledwie około 10 cm/s w ciągu dekady, czyli mniej więcej tyle, co prędkość raczkującego dziecka, dlatego wcześniej trudno było zmierzyć te niewielkie zmiany. Dane o taktowaniu pulsarów z urządzeń takich jak NANOGrav i innych urządzeń do pomiaru czasu pulsarów sprawiły, że pomiary te stały się wykonalne.
Uzyskując niezwykle precyzyjne pomiary przyspieszeń, mamy teraz najbardziej bezpośrednią sondę potencjału grawitacyjnego Galaktyki, wykraczającą poza to, co zostało zrobione w astronomii w ciągu ostatniego stulecia – powiedziała Chakrabarti. Obecnie istnieje wiele niezależnych dowodów wskazujących, że Galaktyka miała w rzeczywistości bardzo dynamiczną historię. Przeprowadzona przez Toma analiza większej próbki pulsarów po raz pierwszy bezpośrednio pokazuje, że Droga Mleczna została zakłócona przez dynamiczne interakcje, na przykład przez przechodzące galaktyki karłowate,
Uzyskanie dokładnego modelu potencjału grawitacyjnego Galaktyki spowodowanego przez ciemną materię przypomina liczenie zmarszczek na stawie po wrzuceniu do wody kamienia.
Wykorzystaliśmy każdy pulsar, jaki mogliśmy zdobyć, o ile posiadał wszystkie potrzebne nam pomiary – powiedział główny autor Tom Donlon. Aby zmierzyć przyspieszenie pulsara, musi on znajdować się w stabilnym układzie podwójnym. Musisz również wiedzieć, jak daleko znajduje się pulsar, znać jego ruch na niebie i szczegóły dotyczące jego orbity; wszystkie te rzeczy wymagają niezwykle precyzyjnych pomiarów, które wymagają lat obserwacji! W miarę upływu czasu powinniśmy mieć więcej pulsarów, które będziemy mogli wykorzystać do przyszłych badań.
Donlon donosi, że istnieją dwa główne sposoby, na jakie te przyspieszenia pomagają nam poznać Wszechświat. Po pierwsze, podwójne pulsary emitują fale grawitacyjne, które powodują, że ich orbity z czasem stają się coraz mniejsze, aż w końcu oba obiekty zderzają się ze sobą. Ponieważ pole grawitacyjne jest bardzo silne w tego typu układach, a pomiary czasu pulsara są bardzo precyzyjne, możliwe jest przetestowanie przewidywań ogólnej teorii względności w odniesieniu do obserwowanego rozpadu orbity pulsara. Drugim sposobem jest badanie ciemnej materii. Ciemnej materii nie widać, ale nadal oddziałuje ona ze zwykłą materią poprzez grawitację, a ta dodatkowa grawitacja powoduje przyspieszenia pulsarów. Porównując przyspieszenia, które faktycznie widzimy, z przyspieszeniami, których spodziewamy się uzyskać od zwykłej materii, możemy dowiedzieć się, ile jest ciemna materia i gdzie się ona znajduje.
Patrząc w przyszłość tych badań, Donlon podsumowuje: Możemy zaplanować eksperymenty wymagające znacznie większej liczby pulsarów, co stanie się możliwe, gdy uzyskamy więcej pomiarów czasu pulsara. Wraz ze wzrostem liczby punktów danych będziemy w stanie mapować pole grawitacyjne naszej Galaktyki z niewiarygodną precyzją, w tym takie rzeczy jak wszelkie skupiska ciemnej materii.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- UAH researchers using pulsar measurements to probe dark matter find Milky Way galaxy is highly dynamic
- Galactic Structure From Binary Pulsar Accelerations: Beyond Smooth Models
Źródło: UAH
Na ilustracji: Wizja artystyczna Drogi Mlecznej. Źródło: Robert Hurt/SSC/Caltech/JPL/NASA Robert Hurt
