Las mediciones de la aceleración de un púlsar revelan el lado oscuro de la Vía Láctea

Es bien sabido que la expansión del universo se acelera debido a una misteriosa energía oscura. Dentro de las galaxias, las estrellas también experimentan una aceleración, aunque esto se debe a alguna combinación de materia oscura y densidad estelar. En un nuevo estudio que se publicará en Astrophysical Journal Letters, los investigadores ahora han obtenido la primera medición directa de la aceleración promedio que tiene lugar dentro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.
Dirigido por Sukanya Chakrabarti en el Instituto de Estudios Avanzados con colaboradores del Instituto de Tecnología de Rochester, la Universidad de Rochester y la Universidad de Wisconsin-Milwaukee, el equipo utilizó datos de púlsares para medir las aceleraciones radiales y verticales de las estrellas dentro y fuera del plano galáctico. . Con base en estas nuevas mediciones de alta precisión y la cantidad conocida de materia visible en la galaxia, los investigadores pudieron calcular la densidad de materia oscura de la Vía Láctea sin hacer la suposición habitual de que la galaxia está en un estado estable.
"Nuestro análisis no solo nos da la primera medida de las pequeñas aceleraciones experimentadas por las estrellas en la galaxia, sino que también abre la posibilidad de extender este trabajo para comprender la naturaleza de la materia oscura y, en última instancia, la energía oscura en escalas mayores", afirmó Chakrabarti. , autor principal del artículo y miembro actual e IBM Einstein Fellow en el Institute for Advanced Study.
Las estrellas atraviesan la galaxia a cientos de kilómetros por segundo, sin embargo, este estudio indica que el cambio en sus velocidades se está produciendo al paso de un caracol literal, unos pocos centímetros por segundo, que es aproximadamente la misma velocidad que un bebé gateando. Para detectar este movimiento sutil, el equipo de investigación se basó en la capacidad ultraprecisa de mantenimiento del tiempo de los púlsares que están ampliamente distribuidos por todo el plano galáctico y el halo, una región esférica difusa que rodea la galaxia.
"Al explotar las propiedades únicas de los púlsares, pudimos medir muy pequeñas aceleraciones en la Galaxia. Nuestro trabajo abre una nueva ventana en la dinámica galáctica", dijo el coautor Philip Chang de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee.
Extendiéndose hacia afuera aproximadamente a 300,000 años luz desde el centro galáctico, el halo puede proporcionar pistas importantes para comprender la materia oscura, que representa alrededor del 90 por ciento de la masa de la galaxia y está altamente concentrada por encima y por debajo del plano galáctico denso en estrellas. El movimiento estelar en esta región en particular, un enfoque principal de este estudio, puede verse influenciado por la materia oscura. Utilizando las mediciones de densidad local obtenidas a través de este estudio, los investigadores ahora tendrán una mejor idea de cómo y dónde buscar la materia oscura.
Si bien los estudios anteriores asumieron un estado de equilibrio galáctico para calcular la densidad de masa promedio, esta investigación se basa en el estado natural de no equilibrio de la galaxia. Se podría comparar esto con la diferencia entre la superficie de un estanque antes y después de arrojar una piedra. Al tener en cuenta las "ondas", el equipo pudo obtener una imagen más precisa de la realidad. Aunque en este caso, más que piedras, la Vía Láctea está influenciada por una historia turbulenta de fusiones galácticas y continúa siendo perturbada por galaxias enanas externas como las Nubes de Magallanes Pequeñas y Grandes. Como resultado, las estrellas no tienen órbitas planas y tienden a seguir un camino similar al de un disco de vinilo deformado, cruzando por encima y por debajo del plano galáctico. Uno de los factores clave que permitió este enfoque de observación directa fue el uso de datos de púlsares compilados a partir de colaboraciones internacionales, incluido NANOGrav (Observatorio de ondas gravitacionales de Nanohertz de América del Norte) que ha obtenido datos de los telescopios Green Bank y Arecibo.
Este artículo histórico amplía el trabajo de Jan H. Oort (1932); John Bahcall (1984); Kuijken y Gilmore (1989); Holmberg y Flynn (2000); Jo Bovy y Scott Tremaine (2012) para calcular la densidad de masa promedio en el plano galáctico (límite de Oort) y la densidad de materia oscura local. Los académicos de IAS, incluidos Oort, Bahcall, Bovy, Tremaine y Chakrabarti, han desempeñado un papel importante en el avance de esta área de investigación.
"Durante siglos, los astrónomos han medido las posiciones y velocidades de las estrellas, pero estos proporcionan sólo una instantánea del complejo comportamiento dinámico de la galaxia Vía Láctea", afirmó Scott Tremaine, profesor emérito del Instituto de Estudios Avanzados. "Las aceleraciones medidas por Chakrabarti y sus colaboradores son causadas directamente por las fuerzas gravitacionales de la materia en la galaxia, tanto visible como oscura, y por lo tanto proporcionan una nueva y prometedora ventana sobre la distribución y composición de la materia en la galaxia y el universo."
Este artículo en particular permitirá una amplia variedad de estudios futuros. Pronto también será posible realizar mediciones precisas de las aceleraciones utilizando el método de velocidad radial complementario que Chakrabarti desarrolló a principios de este año, que mide el cambio en la velocidad de las estrellas con alta precisión. Este trabajo también permitirá simulaciones más detalladas de la Vía Láctea, mejorará las limitaciones de la relatividad general y proporcionará pistas en la búsqueda de materia oscura. Las extensiones de este método también pueden permitirnos medir directamente la aceleración cósmica.
Si bien aún no es posible obtener una imagen directa de nuestra galaxia de origen, similar a las de la Tierra tomadas por los astronautas del Apolo, este estudio ha proporcionado nuevos detalles esenciales para ayudar a visualizar la organización dinámica de la galaxia desde adentro.