Mörk materia utgör mer än 80 % av all materia i kosmos men är osynlig för konventionell observation, eftersom den till synes inte interagerar med ljus eller elektromagnetiska fält. Nu har Dr. Sukanya Chakrabarti, Pei-Ling Chan Endowed Chair vid College of Science vid University of Alabama i Huntsville (UAH), tillsammans med huvudförfattaren Dr. Tom Donlon, en UAH-postdoktor, skrivit en artikel för att hjälpa till att belysa hur mycket mörk materia det finns i vår galax och var den finns genom att studera gravitationsaccelerationen hos binära pulsarer.

Chakrabarti höll ett plenarföredrag om detta arbete och andra metoder för att mäta galaktiska accelerationer vid det 243:e mötet med American Astronomical Society i New Orleans i januari. Resultaten publiceras också på arXiv förtrycksserver.

Pulsarer är snabbt roterande neutronstjärnor som spränger ut strålningspulser med jämna mellanrum från sekunder till millisekunder. En binär pulsar är en pulsar med en följeslagare som gör det möjligt för fysiker att testa allmän relativitet på grund av de starka gravitationsfälten som följer med dessa objekt. "Pulsar är fantastiska galaktiska klockor som har en tidsstabilitet som konkurrerar med atomklockor", förklarar Chakrabarti.

"Pulsarer har använts i decennier i precisionstester av den allmänna relativitetsteorin. Vi använder dem för att direkt mäta de små accelerationerna hos stjärnor som lever i gravitationspotentialen i vår galax. Dessa accelerationer är bara cirka 10 centimeter per sekund över en decennium, eller om hastigheten för en krypande baby, vilket är anledningen till att det har varit svårt att mäta dessa små förändringar tidigare.

NANOGrav, eller North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, är ett konsortium av astronomer som upptäcker gravitationsvågor med hjälp av Green Bank Telescope, Arecibo Observatory, Very Large Array och Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment.

"Genom att erhålla extremprecisionsmätningar av accelerationer har vi nu den mest direkta sonden av galaxens gravitationspotential utöver vad som har gjorts inom astronomi under det senaste århundradet", noterar Chakrabarti. "Det finns nu många oberoende bevis som visar att galaxen faktiskt har haft en mycket dynamisk historia. Toms analys av det större pulsartimingprovet visar direkt för första gången att galaxen har störts av dynamiska interaktioner, till exempel genom att passera dvärg. galaxer."

Att få en exakt modell av galaxens gravitationspotential orsakad av mörk materia är ungefär som att räkna krusningarna på en damm efter att stenen har kastats.

"Vi använde varje pulsar vi kunde få, så länge den hade alla mått vi behöver", säger huvudförfattaren Donlon. "För att mäta en acceleration från en pulsar måste de vara i ett stabilt binärt system. Du måste också veta hur långt bort pulsaren är, dess rörelse på himlen och detaljer om dess bana; alla dessa saker kräver extremt exakta Mätningar som tar år av observationer. Allt eftersom tiden går borde vi ha fler pulsarer som vi kan använda för framtida studier."

Donlon rapporterar att det finns två huvudsakliga sätt som dessa accelerationer hjälper oss att lära oss om universum. "Den första är att binära pulsarer sänder ut gravitationsvågor, vilket gör att deras banor blir mindre med tiden, och så småningom kraschar de två objekten in i varandra. Eftersom gravitationsfältet är mycket starkt i den här typen av system, och pulsartimingsmätningarna är mycket exakta, är det möjligt att testa de förutsägelser som görs av den allmänna relativitetsteorien mot det observerade förfallet av pulsarens omloppsbana.

"Det andra sättet är genom tester av mörk materia. Mörk materia kan inte ses, men interagerar fortfarande med vanlig materia genom gravitationen, och att ytterligare gravitation orsakar accelerationer på dessa pul-SARS. Genom att jämföra accelerationerna vi faktiskt ser med accelerationerna vi förväntar oss att få från bara normal materia, vi kan ta reda på hur mycket mörk materia det finns och var det finns."

När vi ser på framtiden för denna forskning, avslutar Donlon:"Vi kan planera experiment som kräver många fler pulsarer, vilket kommer att bli möjligt när vi får fler pulsartimingsmätningar. När antalet datapunkter växer kommer vi att kunna kartlägga vår galax gravitationsfält med otrolig precision, inklusive saker som alla klumpar av mörk materia."

Mer information: Thomas Donlon et al, Galactic Structure From Binary Pulsar Accelerations:Beyond Smooth Models, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2401.15808

Journalinformation: arXiv

Tillhandahålls av University of Alabama i Huntsville