Det är välkänt att universums expansion accelererar på grund av en mystisk mörk energi. Inom galaxer, stjärnor upplever också en acceleration, även om detta beror på någon kombination av mörk materia och stjärndensiteten. I en ny studie som ska publiceras i Astrofysiska tidskriftsbrev forskare har nu erhållit den första direkta mätningen av den genomsnittliga accelerationen som äger rum i vår hemgalax, Vintergatan. Leds av Sukanya Chakrabarti vid Institute for Advanced Study med medarbetare från Rochester Institute of Technology, University of Rochester, och University of Wisconsin-Milwaukee, teamet använde pulsardata för att klocka de radiella och vertikala accelerationerna för stjärnor inom och utanför det galaktiska planet. Baserat på dessa nya högprecisionsmätningar och den kända mängden synlig materia i galaxen, forskare kunde sedan beräkna Vintergatans mörka materiadensitet utan att göra det vanliga antagandet att galaxen är i ett stabilt tillstånd.

"Vår analys ger oss inte bara den första mätningen av de små accelerationer som upplevs av stjärnor i galaxen, men öppnar också för möjligheten att utöka detta arbete för att förstå naturen av mörk materia, och slutligen mörk energi på större skalor, " sade Chakrabarti, tidningens huvudförfattare och en nuvarande medlem och IBM Einstein Fellow vid Institute for Advanced Study.

Stjärnor susar genom galaxen i hundratals kilometer per sekund, ändå indikerar denna studie att förändringen i deras hastigheter sker i en bokstavlig snigelfart - några centimeter per sekund, vilket är ungefär samma hastighet som en krypande bebis. För att upptäcka denna subtila rörelse förlitade sig forskargruppen på den ultraprecisa tidshållningsförmågan hos pulsarer som är brett utspridda över hela det galaktiska planet och halo - en diffus sfärisk region som omger galaxen.

"Genom att utnyttja de unika egenskaperna hos pulsarer, vi kunde mäta mycket små accelerationer i galaxen. Vårt arbete öppnar ett nytt fönster i galaktisk dynamik, " sa medförfattaren Philip Chang vid University of Wisconsin-Milwaukee.

Sträcker sig utåt cirka 300, 000 ljusår från det galaktiska centrumet, gloria kan ge viktiga tips för att förstå mörk materia, som står för cirka 90 procent av galaxens massa och är starkt koncentrerad över och under det stjärntäta galaktiska planet. Stjärnrörelser i denna speciella region - ett primärt fokus för denna studie - kan påverkas av mörk materia. Genom att använda de lokala densitetsmätningarna som erhållits genom denna studie, forskare kommer nu att ha en bättre uppfattning om hur och var de ska leta efter mörk materia.

Medan tidigare studier antog ett tillstånd av galaktisk jämvikt för att beräkna genomsnittlig masstäthet, denna forskning bygger på det naturliga, galaxens icke-jämviktstillstånd. Man kan analogisera detta med skillnaden mellan ytan på en damm före och efter att en sten kastats in. Genom att ta hänsyn till "krusningarna" kunde teamet få en mer korrekt bild av verkligheten. Även om i det här fallet, snarare än stenar, Vintergatan påverkas av en turbulent historia av galaktiska sammanslagningar och fortsätter att störas av externa dvärggalaxer som de små och stora magellanska molnen. Som ett resultat, stjärnor har inte platta banor och tenderar att följa en väg som liknar den för en skev vinylskiva, korsning över och under det galaktiska planet. En av nyckelfaktorerna som möjliggjorde denna direkta observationsstrategi var användningen av pulsardata sammanställda från internationella samarbeten, inklusive NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) som har erhållit data från Green Bank och Arecibo-teleskopen.

Detta landmärkepapper expanderar på Jan H. Oorts (1932) arbete; John Bahcall (1984); Kuijken &Gilmore (1989); Holmberg &Flynn (2000); Jo Bovy &Scott Tremaine (2012) för att beräkna den genomsnittliga masstätheten i det galaktiska planet (Oort-gränsen) och den lokala tätheten av mörk materia. IAS-forskare inklusive Oort, Bahcall, Bovy, Tremaine, och Chakrabarti har spelat en viktig roll för att främja detta forskningsområde.

"I århundraden har astronomer mätt stjärnornas positioner och hastigheter, men dessa ger bara en ögonblicksbild av Vintergatans komplexa dynamiska beteende, " sa Scott Tremaine, Professor emeritus vid Institutet för avancerade studier. "Accelerationerna uppmätta av Chakrabarti och hennes medarbetare är direkt orsakade av gravitationskrafterna från materien i galaxen, både synliga och mörka, och därigenom ge ett nytt och lovande fönster på fördelningen och sammansättningen av materien i galaxen och universum."

Denna speciella artikel kommer att möjliggöra en mängd olika framtida studier. Noggranna mätningar av accelerationer kommer också snart att vara möjliga med hjälp av den komplementära radiella hastighetsmetoden som Chakrabarti utvecklade tidigare i år, som mäter förändringen i stjärnors hastighet med hög precision. Detta arbete kommer också att möjliggöra mer detaljerade simuleringar av Vintergatan, förbättra begränsningar för generell relativitetsteori, och ge ledtrådar i sökandet efter mörk materia. Utvidgningar av denna metod kan i slutändan tillåta oss att direkt mäta den kosmiska accelerationen också.

Även om en direkt bild av vår hemgalax - liknande de på jorden som tagits av Apollo-astronauterna - ännu inte är möjlig, denna studie har gett viktiga nya detaljer för att hjälpa föreställa sig den dynamiska organisationen av galaxen inifrån.