Zespół naukowców pioniersko wykorzystał pomiary przyspieszenia grawitacyjnego podwójnych pulsarów do mapowania ciemnej materii w Drodze Mlecznej.
Dr Sukanya Chakrabarti, Pei-Ling Chan Endowed Chair w College of Science na University of Alabama w Huntsville (UAH), i jej zespół byli pionierami w wykorzystywaniu pomiarów przyspieszenia grawitacyjnego podwójnych pulsarów, aby pomóc wyjaśnić, ile i gdzie ciemnej materii znajduje się w galaktyce Drogi Mlecznej. Ich poprzednie badania obiecywały, że wraz ze wzrostem liczby punktów danych wraz z dodaniem wielu kolejnych podwójnych pulsarów, pole grawitacyjne Galaktyki można będzie zmapować z dużą precyzją, w tym skupiska galaktycznej ciemnej materii. Teraz Chakrabarti i jej zespół, w tym pierwszy autor dr hab. Tom Donlon i studentka fizyki Sophia Venderwaal z UAH, opublikowali nowy artykuł, który po raz pierwszy szczegółowo opisuje sposób na rozwój tej dziedziny poprzez wykorzystanie pojedynczych pulsarów.
Kiedy po raz pierwszy rozpoczęliśmy tę pracę w 2021 roku i opublikowaliśmy artykuł uzupełniający w 2024 roku, nasza próbka składała się z par pulsarów milisekundowych – wyjaśniła Chakrabarti. Podwójny pulsar milisekundowy to pulsar o krótkim okresie rotacji, który krąży wokół innej gwiazdy. Jednak większość pulsarów nie występuje w parach – zauważyła badaczka. Większość z nich jest samotna. W tej nowej pracy pokazujemy, jak skutecznie podwoić liczbę pulsarów, których możemy użyć do ograniczenia ciemnej materii w Galaktyce, poprzez rygorystyczne wykorzystanie samotnych pulsarów do pomiaru przyspieszeń galaktycznych.
Ograniczenie ciemnej materii oznacza ograniczenie możliwych właściwości i charakterystyk ciemnej materii poprzez analizę danych obserwacyjnych, zasadniczo zawężając zakres potencjalnych wyjaśnień tego, czym może być ciemna materia, w oparciu o to, jak oddziałuje ona z inną materią i wpływa na strukturę Wszechświata w różnych skalach.
Jest to większa próbka, więc mamy teraz przełom – powiedziała Chakrabarti. Po raz pierwszy jesteśmy w stanie zmierzyć lokalną gęstość ciemnej materii za pomocą bezpośrednich pomiarów przyspieszenia. Średnio okazuje się, że w objętości Ziemi znajduje się mniej niż 1 kilogram ciemnej materii. Jeśli porównamy to z milionami kilogramów złota produkowanego każdego roku – widać, że w przeliczeniu na funt ciemna materia jest cenniejsza niż złoto.
Uważa się, że ciemna materia stanowi ponad 80% całej materii w kosmosie, ale jest niewidoczna dla konwencjonalnych obserwacji, ponieważ pozornie nie wchodzi w interakcje ze światłem ani polami elektromagnetycznymi.
Wykres galaktycznego „chybotania”
W mojej wcześniejszej pracy wykorzystałam symulacje komputerowe, aby pokazać, że ponieważ Droga Mleczna oddziałuje z galaktykami karłowatymi, gwiazdy w Drodze Mlecznej odczuwają zupełnie inne przyciąganie grawitacyjne, jeśli znajdują się poniżej lub powyżej dysku – powiedziała Chakrabarti. Wielki Obłok Magellana, duża galaktyka karłowata, krąży wokół naszej Galaktyki, a gdy przechodzi w pobliżu Drogi Mlecznej, może przyciągać do siebie część masy dysku galaktycznego, co prowadzi do asymetrycznej Galaktyki z większą masą po jednej stronie, więc odczuwa grawitację silniej po jednej stronie.
To prawie tak, jakby Galaktyka się chybotała – coś w rodzaju chodzenia malucha, jeszcze nie do końca zrównoważonego. Tak więc ta asymetria lub nieproporcjonalny efekt w przyspieszeniach pulsarów wynikający z przyciągania Wielkiego Obłoku Magellana jest czymś, co spodziewaliśmy się zobaczyć. Tutaj, dzięki większej próbce przyspieszeń pulsarów, jesteśmy w stanie zmierzyć ten efekt po raz pierwszy.
Niewiarygodnie silne pole magnetyczne pulsarów kręci się i nawija na siebie, gdy pulsar wiruje, co prowadzi do pewnego rodzaju tarcia, przypominającego pocieranie dłoni – dodał Donlon. Pulsary emitują również cząstki z bardzo dużymi prędkościami, które emitują energię. Efekty te prowadzą do tego, że pulsar wiruje wolniej w miarę upływu czasu, a obecnie nie ma sposobu, aby obliczyć, jak to się dzieje na podstawie istniejącej teorii.
Zjawisko to nazywane jest hamowaniem magnetycznym, procesem, w którym gwiazda traci moment pędu z powodu swojego pola magnetycznego, które wychwytuje naładowane cząstki z jej powierzchni i wyrzuca je na zewnątrz jako wiatr gwiazdowy, skutecznie odbierając im część spinu gwiazdy. Modelowanie tego procesu okazało się kluczem do dalszych badań.
Z powodu spowolnienia spinu początkowo – w 2021 roku i w naszym kolejnym artykule z 2024 roku – byliśmy zmuszeni do wykorzystania tylko pulsarów w układach podwójnych do obliczania przyspieszeń, ponieważ na ich orbity nie ma wpływu hamowanie magnetyczne – powiedział Donlon. Dzięki naszej nowej technice jesteśmy w stanie oszacować wielkość hamowania magnetycznego z dużą dokładnością, co pozwala nam również na wykorzystanie pojedynczych pulsarów do obliczenia przyspieszeń.
W astronomii współczynnik spowolnienia magnetycznego odnosi się do tempa, w jakim obiekt niebieski, w szczególności wirująca gwiazda neutronowa (taka jak pulsar), spowalnia swoją rotację z powodu utraty energii obrotowej poprzez magnetyczne promieniowanie dipolowe.
Nowe badania wskazują, że dzięki mapowaniu pola przyspieszenia Galaktyki możliwe będzie określenie rozkładu ciemnej materii w Drodze Mlecznej z dość dużą dokładnością.
Zasadniczo te nowe techniki umożliwiają teraz pomiary bardzo małych przyspieszeń, które wynikają z przyciągania ciemnej materii w Galaktyce – powiedziała Chakrabarti. W społeczności astronomicznej od pewnego czasu jesteśmy w stanie mierzyć duże przyspieszenia wytwarzane przez czarne dziury wokół widocznych gwiazd i gwiazd w pobliżu centrum Galaktyki. Teraz możemy wyjść poza pomiary dużych przyspieszeń do pomiarów małych przyspieszeń na poziomie około 10 cm/s/dekadę – 10 cm/s to prędkość raczkującego dziecka.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- UAH breakthrough enables the measurement of local dark matter density using direct acceleration measurements for the first time
- Empirical Modeling of Magnetic Braking in Millisecond Pulsars to Measure the Local Dark Matter Density and Effects of Orbiting Satellite Galaxies
Źródło: UAH
Na ilustracji: Wielki Obłok Magellana, karłowata galaktyka satelitarna krążąca wokół Drogi Mlecznej, powoduje kołysanie się większej Galaktyki, nadając mierzalne przyspieszenie pulsarom Drogi Mlecznej. Źródło: NASA
