银河系的阴暗面通过脉冲星加速度的测量揭示

显示了银河系盘中的涟漪，以及人马座矮星系的潮汐碎片。插图显示了由Chakrabarti等人2021分析以计算银河加速度的脉冲星。

众所周知，由于神秘的暗能量，宇宙的膨胀正在加速。在星系中，恒星也会经历加速，尽管这是由于暗物质和恒星密度的某种组合所致。在一项即将发表在《天体物理学期刊快报》上的新研究中，研究人员现已获得了对我们银河系银河系中平均加速度的第一个直接测量值。

在高级研究所的Sukanya Chakrabarti的带领下，与来自罗彻斯特理工学院，罗彻斯特大学和威斯康星州密尔沃基大学的合作者合作，该小组利用脉冲星数据记录了银河系内外恒星的径向和垂直加速度。 。基于这些新的高精度测量结果以及银河系中已知的可见物质数量，研究人员随后能够计算银河系的暗物质密度，而无需通常假设银河系处于稳定状态。

查克拉巴蒂说：“我们的分析不仅为我们首次测量了星系中恒星经历的微小加速度，而且还为扩展这项工作以了解暗物质的本质以及最终在更大尺度上获得暗能量的可能性提供了可能性。” ，是该论文的主要作者，并且是高级研究所的现任会员和IBM Einstein研究员。

恒星以每秒数百公里的速度刺穿星系，但这项研究表明，它们的速度变化确实是按蜗牛的速度进行的，即每秒几厘米的速度，这与爬行的婴儿的速度差不多。为了发现这种微妙的运动，研究团队依靠了脉冲星的超高精度计时能力，这些脉冲星广泛分布在整个银河平面和光晕（围绕银河的弥散球形区域）中。

“通过利用脉冲星的独特特性，我们能够测量出银河系中很小的加速度。威斯康星州密尔沃基大学的合著者Philip Chang说。

光晕从银河系中心向外延伸约30万光年，可能为理解暗物质提供重要提示，暗物质占星系质量的90％，高度集中在星密银河系平面的上方和下方。暗物质可能会影响该特定区域的恒星运动（本研究的主要重点）。利用通过这项研究获得的局部密度测量值，研究人员现在将对如何以及在何处寻找暗物质有了更好的了解。

虽然先前的研究假设银河系处于平衡状态以计算平均质量密度，但这项研究是基于银河系的自然非平衡状态。有人可以将其比作扔石头之前和之后池塘表面之间的差异。通过考虑“波纹”，该团队能够获得更准确的现实图景。尽管在这种情况下，银河而不是石头，受到银河合并的动荡历史的影响，并继续受到诸如麦哲伦星云和大麦哲伦星云之类的外部矮星系的干扰。结果，恒星没有平坦的轨道，并且倾向于沿着类似于弯曲的黑胶唱片的路径，在银河平面的上方和下方交叉。启用这种直接观测方法的关键因素之一是使用了来自国际合作的脉冲星数据，其中包括从绿岸和Arecibo望远镜获得的数据的NANOGrav（北美重力波纳米纳赫天文台）。

这份具有里程碑意义的论文是对扬·H·奥尔特（Jan H. Oort，1932年）的工作的扩展。约翰·巴哈尔（John Bahcall）（1984）； Kuijken＆Gilmore（1989）; Holmberg＆Flynn（2000）;和Jo Bovy和Scott Tremaine（2012）计算银河平面中的平均质量密度（奥尔特限）和局部暗物质密度。包括Oort，Bahcall，Bovy，Tremaine和Chakrabarti在内的IAS学者在推动这一研究领域中发挥了重要作用。

“几个世纪以来，天文学家一直在测量恒星的位置和速度，但这仅提供了银河系复杂动力学行为的快照，”高级研究所名誉教授斯科特·特雷马因（Scott Tremaine）说。“ Chakrabarti和她的合作者测量的加速度直接来自银河系物质可见和暗处的引力，从而为银河系和星系中物质的分布和成分提供了一个新的有希望的窗口宇宙。”

这篇特别的论文将使广泛的未来研究成为可能。Chakrabarti今年早些时候开发的互补径向速度法也将很快实现对加速度的精确测量，该方法可以高精度地测量恒星的速度变化。这项工作还可以对银河系进行更详细的模拟，改善对广义相对论的限制，并为寻找暗物质提供线索。这种方法的扩展最终可能使我们也可以直接测量宇宙加速度。

虽然尚不可能获得与银河系阿波罗宇航员拍摄的地球类似的家庭星系的直接图片，但这项研究提供了重要的新细节，以帮助从内部构想银河系的动态组织。

参考：Sukanya Chakrabarti，Philip Chang，Michael T. Lam，Sarah J. Vigeland，Alice C. Quillen撰写的“从二进制脉冲星加速度测量银河系平面质量密度”，被《天体物理学杂志快报》收录。
2010.04018

会议：美国天文学会第237次会议