Korzystając z pulsarów, astronomowie po raz pierwszy namierzyli tajemnicze skupiska ciemnej materii ukryte w strukturze naszej Galaktyki.
Dr Sukanya Chakrabarti, profesor na Wydziale Nauk Ścisłych Uniwersytetu Alabamy w Huntsville (UAH), wraz ze swoim zespołem opublikowała nowy artykuł, w którym po raz pierwszy wykorzystano pulsary podwójne i pojedyncze do określenia właściwości pod-halo ciemnej materii w naszej Galaktyce. Pod-halo to mniejsze skupiska ciemnej materii znajdujące się w większym halo ciemnej materii – obszarach niewidzialnej materii otaczających galaktyki i gromady galaktyk, znanych jedynie dzięki ich oddziaływaniom grawitacyjnym.
Wyobraźmy sobie galaktykę jako babeczkę, a pod-halo ciemnej materii to jak kawałki czekolady na wierzchu babeczki – wyjaśniła Chakrabarti. Galaktyka – bez kawałków czekolady – wygląda całkiem gładko. Pod-halo ciemnej materii generuje dodatkowy sygnał nałożony na gładki element galaktyczny, który teraz możemy wykryć.
Badania te opierają się na wcześniejszych pracach prowadzonych na UAH, które mają na celu ustalenie, ile tej tajemniczej substancji znajduje się w Drodze Mlecznej i gdzie się ona znajduje.
Naszym głównym celem w wykorzystywaniu akceleracji pulsarów zawsze było zrozumienie natury ciemnej materii. Te ciemne pod-halo są podstawą modeli ciemnej materii i teraz sądzimy, że mamy sposób na ich znalezienie – zauważyła badaczka. Nasze określenie masy tego pod-halo ciemnej materii jest znacznie dokładniejsze niż jakakolwiek wcześniejsza metoda.
Halo ciemnej materii – uważane za podstawową strukturę, na której zbudowane są galaktyki – są istotne dla zrozumienia procesu formowania się i ewolucji galaktyk. Obecna teoria formowania się struktur we Wszechświecie przewiduje, że pod-halo ciemnej materii powinno występować obficie w galaktykach takich jak Droga Mleczna, jednak ich znalezienie okazało się trudne.
Nasza lokalizacja jest teraz całkiem dobra we wszystkich trzech współrzędnych, a przyszłe pomiary przyspieszenia jeszcze bardziej poprawią znaczenie masy – powiedziała Chakrabarti. W każdym razie jest to nadal bardziej precyzyjne niż cokolwiek, co zrobiono wcześniej.
Lokalizacja odnosi się do identyfikacji określonych obszarów w obrębie większej struktury, w których wpływ ciemnej materii jest bardziej wyraźny. Koncepcja ta jest kluczowa dla odróżnienia potencjalnych oddziaływań ciemnej materii od szumu tła oraz zrozumienia, jak ciemna materia oddziałuje ze zwykłą materią i kształtuje Wszechświat.
Według badań, cechy te uzyskano poprzez pierwszą w historii analizę nadmiarowej, skorelowanej mocy w polu przyspieszeń pulsarów podwójnych – zjawisko, w którym obserwowane przyspieszenia wykazują wzorzec odbiegający od tego, czego można by oczekiwać na podstawie grawitacji newtonowskiej i znanych źródeł astrofizycznych.
‘Nadmiar’ mocy to w zasadzie kawałki czekolady – pod-halo – które wyróżniają się na tle babeczki – powiedziała badaczka. Przez moc rozumiemy sygnał przyspieszenia – pod-halo ciemnej materii generują dodatkowy sygnał nałożony na gładki składnik galaktyczny, który teraz możemy wykryć. Przez ‘skorelowany’ rozumiemy, że sygnał został odebrany przez pary pulsarów. To bardziej rygorystyczne wymagania niż wymóg, aby nadmiar sygnału był odebrany przez jeden pulsar.
Postęp tego rodzaju badań zależy od dostępności precyzyjnych danych dotyczących przyspieszenia pulsarów podwójnych.
Podczas naszej pierwszej pracy w 2021 roku nie dysponowaliśmy wystarczającą liczbą pulsarów, aby to zrobić – mogliśmy zmierzyć jedynie gładką składową potencjału – powiedziała Chakrabarti. Gładkie składowe w galaktyce charakteryzują się stosunkowo równomiernym i rozproszonym rozkładem gwiazd i gazu, co daje w dużej mierze niezakłócony rozkład ciemnej materii w halo galaktyki.
Ale w miarę jak nasza próbka rosła, stało się jasne, że wkrótce będziemy w stanie bezpośrednio mierzyć te skupiska ciemnej materii. Wraz z uzyskaniem w przyszłości dokładniejszych obserwacji, będziemy mogli przeprowadzić tę analizę, aby znaleźć pod-halo ciemnej materii również daleko poza otoczeniem Słońca – powiedziała badaczka. Ostatecznie te przyszłe obserwacje pozwolą nam rozróżniać modele ciemnej materii.
Scharakteryzowanie podstruktury jest kluczowe dla zrozumienia i ostatecznego określenia natury ciemnej materii, ponieważ różne modele różnią się pod względem rozmieszczenia tych skupisk. Takie postępy dają nadzieję na zastąpienie innych modeli ciemnej materii.
Myśląc o przyszłości, Chakrabarti i jej współpracownicy wykazali, że ich praca stanowi ważny krok w kierunku wyjaśnienia jednej z największych tajemnic Wszechświata.
Myślę, że kolejnym krokiem będzie zwiększenie liczby precyzyjnych akcelerometrów, abyśmy mogli uzyskać więcej – i to bardziej precyzyjnych – detekcji pod-halo ciemnej materii – powiedziała. To ostatecznie umożliwi nam jednoznaczne rozróżnienie modeli ciemnej materii i określenie jej natury, co jest jednym z najważniejszych problemów astronomii i trwa już od ostatniego stulecia.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- UAH researchers use pulsar accelerations to detect a dark matter sub-halo in the Milky Way for the first time
- Constraints on a dark matter sub-halo near the Sun from pulsar timing
Źródło: Uniwersytet Alabamy
Na ilustracji: Pod-halo to mniejsze skupiska ciemnej materii, które znajdują się w obrębie większego halo ciemnej materii. Źródło: Dzięki uprzejmości NASA
