通过对脉冲星加速度的测量揭示了银河系的黑暗面

众所周知，由于一种神秘的暗能量，宇宙正在加速膨胀。在星系内部，恒星也经历着加速，尽管这是由于暗物质和恒星密度的某种组合。在一个新的研究将在天体物理学杂志通讯》上现在，研究人员已经获得了第一个直接测量银河系平均加速度的方法银河系。

由Sukanya Chakrabarti在高级研究所，与来自罗切斯特理工学院，罗切斯特大学，威斯康辛大学密尔沃基分校的合作者，研究小组使用脉冲星用来记录星系平面内外恒星的径向和垂直加速度的数据。基于这些新的高精度测量和星系中已知可见物质的数量，研究人员可以计算出银河系的暗物质密度，而不需要做出星系处于稳定状态的通常假设。

”我们的分析不仅给我们的第一个测量微小加速度所经历过的恒星星系,但也可能延长这项工作了解暗物质的本质,并最终暗能量在更大的尺度上,“Chakrabarti所述,该论文的主要作者,目前成员和IBM爱因斯坦进修学院研究员。

恒星以每秒数百公里的速度穿过银河系，然而这项研究表明，它们速度的变化就像蜗牛的速度——每秒几厘米，这和爬行的婴儿的速度差不多。为了探测这种细微的运动，研究小组依赖于脉冲星的超精确计时能力，这些脉冲星广泛分布在银河系平面和环绕星系的弥散球形区域。

“通过利用脉冲星的独特特性，我们能够测量银河系中非常小的加速度。我们的工作为银河系动力学打开了一个新的窗口菲利普•张威斯康辛大学密尔沃基分校。

从银河系中心向外延伸约30万光年，日冕可能为理解暗物质提供重要线索，暗物质占银河系质量的90%，高度集中在恒星密集的银河系平面上下。这一特定区域的恒星运动——本研究的主要焦点——可能受到暗物质的影响。利用通过这项研究获得的局部密度测量结果，研究人员现在将对如何以及在哪里寻找暗物质有一个更好的想法。

以往的研究假设星系的平衡状态来计算平均质量密度，而本研究是基于星系的自然、非平衡状态。人们可以把这比作扔石头之前和扔进去之后池塘表面的差别。通过计算“涟漪”，团队能够获得更准确的现实画面。虽然在这种情况下，银河系受到星系合并的动荡历史的影响，而不是石头，但它仍继续受到外部矮星系(如大小麦哲伦云)的干扰。因此，恒星的轨道并不是平坦的，它们倾向于遵循一条类似于扭曲的黑胶唱片的路径，在银河平面的上下交叉。这种直接观测方法的关键因素之一是利用了国际合作收集的脉冲星数据，包括从格林班克和阿雷西博望远镜获得数据的纳米重力望远镜(北美纳米赫兹引力波天文台)。

这篇具有里程碑意义的论文扩展了简·h·奥尔特(1932);约翰Bahcall(1984);库伊肯和吉尔摩(1989年);霍姆伯格和弗林(2000);和乔Bovy&Scott Tremaine(2012)计算银道面平均质量密度(奥尔特极限)和局部暗物质密度。包括奥尔特、巴赫科尔、博维、特里梅因和查克拉巴蒂在内的IAS学者在推进这一研究领域中发挥了重要作用。

“几个世纪以来，天文学家已经测量了恒星的位置和速度，但这些仅仅提供了银河系复杂动力学行为的一个快照，”他说Scott Tremaine他是美国高等研究院的名誉教授。“Chakrabarti和她的合作者测量到的加速度是由星系中物质的引力直接引起的，包括可见的和黑暗的，因此为星系和宇宙中物质的分布和组成提供了一个新的、有希望的窗口。”

这篇特殊的论文将使未来的各种研究成为可能。利用Chakrabarti今年早些时候开发的补充径向速度法，精确测量加速度也将很快成为可能，该方法可以高精度地测量恒星的速度变化。这项工作还将使对银河系进行更详细的模拟成为可能，改善广义相对论的约束条件，并为寻找暗物质提供线索。这种方法的扩展最终也可能使我们能够直接测量宇宙的加速度。

虽然我们的家星系的直接照片——类似于阿波罗宇航员拍摄的地球照片——还不可能，但这项研究提供了重要的新细节，帮助从内部想象星系的动态组织。

参考:Sukanya Chakrabarti, Philip Chang, Michael T. Lam, Sarah J. Vigeland, Alice C. Quillen的《从双星脉冲星加速测量银河系平面质量密度》，已接受，Astrophyiscal杂志信件。
arXiv: 2010.04018

会议:美国天文学会第237次会议