Прорыв позволяет измерять локальную плотность темной материи с помощью прямых измерений ускорения
Большое Магелланово Облако, карликовая галактика-спутник, вращающаяся вокруг Млечного Пути, заставляющая большую галактику «колебаться», сообщая измеримые ускорения пульсарам Млечного Пути. Автор: NASA
Доктор Суканья Чакрабарти, заведующая кафедрой Пей-Лин Чан в Колледже наук Университета Алабамы в Хантсвилле (UAH), и ее команда стали пионерами в использовании измерений гравитационного ускорения двойных пульсаров, чтобы помочь выяснить, сколько темной материи содержится в галактике Млечный Путь и где она находится.
Их предыдущее исследование обещало, что по мере увеличения количества точек данных и добавления все большего количества двойных пульсаров гравитационное поле галактики можно будет картировать с большой точностью, включая скопления галактической темной материи.
Теперь Чакрабарти и ее команда, включая первого автора доктора Тома Донлона, постдокторанта UAH, и студентку бакалавриата по физике UAH Софию Вандервал, опубликовали новое исследование, в котором впервые подробно описывается способ развития этой области с использованием вместо этого одиночных пульсаров. Статья доступна на сервере препринтов arXiv.
«Когда мы впервые начали эту работу в 2021 году и сделали последующую публикацию в прошлом году, наша выборка состояла из пар миллисекундных пульсаров — бинарных миллисекундных пульсаров», — объясняет Чакрабарти. Двойной миллисекундный пульсар — это пульсар с коротким периодом вращения, который вращается вокруг другой звезды. «Однако большинство пульсаров не находятся в парах», — отмечает исследователь.
«Большинство из них — одиночные. В этой новой работе мы показываем, как эффективно удвоить количество пульсаров, которые мы можем использовать для ограничения темной материи в галактике, строго используя одиночные пульсары для измерения галактических ускорений».
Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества затрудняет и, возможно, даже делает невозможным её прямое наблюдение.
Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам. Выяснение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик. Википедия
«Поскольку это более крупный образец, у нас теперь есть прорыв», — говорит Чакрабарти. «Мы впервые можем измерить локальную плотность темной материи, используя прямые измерения ускорения. И в среднем мы обнаруживаем, что в объеме Земли содержится менее 1 килограмма темной материи. Если сравнить это с миллионами килограммов золота, добываемого каждый год, то можно увидеть, что фунт за фунт темная материя ценнее золота».
Считается, что темная материя составляет более 80% всей материи в космосе, но она невидима для обычных наблюдений, поскольку, по-видимому, не взаимодействует со светом или электромагнитными полями.
Картографирование галактического «колебания»
«В своей предыдущей работе я использовал компьютерное моделирование, чтобы показать, что, поскольку Млечный Путь взаимодействует с карликовыми галактиками, звезды в Млечном Пути испытывают совершенно разное притяжение от гравитации, если они находятся под диском или над диском», — говорит Чакрабарти. «Большое Магелланово Облако (БМО) — довольно большая карликовая галактика — вращается вокруг нашей собственной галактики, и когда оно проходит вблизи Млечного Пути, оно может притянуть к себе часть массы галактического диска, что приводит к перекошенной галактике с большей массой с одной стороны, поэтому она сильнее ощущает гравитацию с одной стороны.
«Это почти как будто галактика колеблется — как будто ходит малыш, пока еще не полностью сбалансированный. Так что эта асимметрия или непропорциональный эффект в ускорениях пульсара, возникающий из-за притяжения БМО, — это то, что мы ожидали увидеть. Здесь, с более крупной выборкой ускорений пульсара, мы действительно впервые можем измерить этот эффект».
Пульса́р — космический источник радио- (радиопульсар), оптического (оптический пульсар), рентгеновского (рентгеновский пульсар) и/или гамма- (гамма-пульсар) излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков (импульсов). Согласно доминирующей астрофизической модели, пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звёзды с магнитным полем, которое наклонено к оси вращения, что вызывает модуляцию приходящего на Землю излучения. Википедия
Читайте также:Астрономы обнаружили 10 новых миллисекундных пульсаров в шаровом скоплении Терзан 5
Это явление называется «магнитным торможением», процессом, при котором звезда теряет угловой момент (скорость вращения) из-за того, что ее магнитное поле захватывает заряженные частицы с ее поверхности и выбрасывает их наружу в виде звездного ветра, фактически унося с собой часть вращения звезды. Моделирование этого процесса оказалось ключом к движению вперед.
«Из-за этого замедления вращения мы изначально — в 2021 году и в нашей последующей статье 2024 года — были вынуждены использовать только пульсары в двойных системах для расчета ускорений, поскольку на орбиты не влияет магнитное торможение», — говорит Донлон. «Благодаря нашей новой методике мы можем оценить величину магнитного торможения с высокой точностью, что позволяет нам также использовать отдельные пульсары для получения ускорений».
В астрономии скорость замедления магнитного вращения определяется скоростью, с которой небесный объект, в частности вращающаяся нейтронная звезда (например, пульсар), замедляет свое вращение из-за потери энергии вращения за счет магнитного дипольного излучения.
Согласно новому исследованию, картирование поля ускорения галактики в конечном итоге позволит с достаточно высокой точностью определить распределение темной материи в Млечном Пути.
«По сути, эти новые методы теперь позволяют измерять очень малые ускорения, возникающие из-за притяжения темной материи в галактике», — говорит Чакрабарти. «В астрономическом сообществе мы уже некоторое время можем измерять большие ускорения, создаваемые черными дырами вокруг видимых звезд и звезд вблизи галактического центра.
«Теперь мы можем перейти от измерения больших ускорений к измерениям крошечных ускорений на уровне около 10 см/с за десятилетие — 10 см/с — это скорость ползающего ребенка».
Больше информации: Thomas Donlon et al, Empirical Modeling of Magnetic Braking in Millisecond Pulsars to Measure the Local Dark Matter Density and Effects of Orbiting Satellite Galaxies, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2501.03409
Источник: University of Alabama in Huntsville
0 комментариев