Наша галактика Млечный Путь богата темной материей. Проблема в том, что мы не можем увидеть, где она распределена, потому что она темная. Мы также не совсем понимаем, как она распределена - в виде сгустков или чего-то еще? Команда из Университета Алабамы в Хантсвилле придумала, как использовать одиночные пульсары для картирования этого вещества и выявления его влияния на галактику.
Методика, разработанная доктором Суканьей Чакрабарти и ее командой, основана на некоторых уникальных характеристиках пульсаров. Кроме того, она использует наличие странного колебания нашей галактики. По-видимому, оно вызвано взаимодействием с карликовыми галактиками, такими как Большое Магелланово Облако. Это колебание связано с количеством темной материи в галактике, и оказалось, что пульсары могут помочь составить ее карту.
Картирование темной материи и пульсары
Пульсары - это трупы массивных звезд. После их взрыва в виде сверхновых остается лишь быстро вращающееся сжатое звездное ядро. Эти чудовища обладают невероятно сильными магнитными полями. Эти поля закручиваются и сворачиваются, вращаясь много раз в секунду, и отправляют высокоскоростные частицы в космос. В результате пульсар теряет энергию. В сочетании с трением, вызванным движением закрученного магнитного поля, пульсар слегка замедляется в процессе, называемом «магнитным торможением». Ученые уже много лет работают над моделированием этого процесса, чтобы понять поведение пульсаров.
Иллюстрация пульсара с мощными магнитными полями. Они направляют частицы в космос, а их закручивающие свойства помогают замедлить вращение пульсара. Это вращение ускоряется за счет эффекта распределения темной материи.
Поведение галактики Млечный Путь - еще одна часть головоломки, связанной с распределением темной материи. Астрономы знают, что в ней имеется значительный компонент темной материи, который, по-видимому, распределен неравномерно. По словам Чакрабарти, фактическое распределение этой массы темной материи приводит к некоторым интересным эффектам. «В своей предыдущей работе я использовала компьютерное моделирование, чтобы показать, что, поскольку Млечный Путь взаимодействует с карликовыми галактиками, звезды в Млечном Пути ощущают разное притяжение гравитации, если они находятся под диском или над диском», - говорит она. «Большое Магелланово Облако (БМО) - крупная карликовая галактика - окружает нашу галактику, и когда оно проходит рядом с Млечным Путем, то может притягивать к себе часть массы галактического диска, что приводит к образованию однобокой галактики с большей массой на одной стороне, поэтому она сильнее ощущает гравитацию на одной стороне».
Гайя показала, что диск нашей галактики - темно-коричневая горизонталь, протянувшаяся от одного края до другого, - имеет волну. Gaia также показала, что у Млечного Пути больше двух спиральных рукавов. Они не так ярко выражены, как мы думали. Форма галактики зависит от распределения темной материи. Изображение: ESA/Gaia/DPAC, Стефан Пейн-Варденаар CC BY-SA 3.0 IGO
Чакрабарти сравнил это интересное «колебание» галактики с тем, как ходит малыш - еще не совсем уравновешенный. Это колебание влияет на звезды, включая пульсары. И оказалось, что разная гравитация, вызванная распределением темной материи, влияет на скорость их разбегания. «Так что эту асимметрию или непропорциональный эффект в ускорениях пульсаров, возникающий из-за притяжения LMC, мы ожидали увидеть», - говорит Чакрабарти. Другими словами, гравитационное притяжение темной материи выдает ее распределение и, возможно, плотность по всей Галактике.
Основываясь на предыдущих исследованиях
Чакрабарти и её команда ранее стали пионерами в использовании бинарных пульсаров для картирования тёмной материи в Галактике. Оказалось, что магнитное торможение не влияет на орбиты пульсаров в двойных системах. Это делает их полезными для измерения количества и распределения тёмной материи в Млечном Пути. Поэтому команда измерила ускорение изменения скорости вращения пульсаров под воздействием гравитационного потенциала Галактики. Эта работа показала, что можно картировать гравитационное поле галактики, используя данные о большем количестве бинарных пульсаров, включая скопления галактической тёмной материи.
Однако возникла проблема: существует множество одиночных пульсаров. Нужно было найти способ использовать их тоже. И это снова приводит нас к моделированию спин-дауна (замедления вращения) пульсаров командой учёных.
Художественная иллюстрация двойного пульсара Майкла Крамера из обсерватории Джодрелл-Бэнк. Двойные системы помогают картировать влияние тёмной материи на гравитационное поле Галактики.
«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 вычисления ускорений, поскольку их орбиты не затронуты магнитным торможением», — сказал член команды Том Донлон. «С помощью нашей новой методики мы теперь можем с высокой точностью оценивать величину магнитного торможения, что позволяет использовать и одиночные пульсары для получения данных об ускорениях».
Нужны дополнительные данные
Добавляя больше измерений "точечных источников" с одиночными пульсарами, команда Чакрабарти прогнозирует, что в конечном итоге можно будет гораздо точнее определить распределение тёмной материи в Млечном Пути.
«По сути, эти новые методики теперь позволяют измерять очень малые ускорения, возникающие из-за притяжения тёмной материи в галактике», — объяснила Чакрабарти. «В астрономическом сообществе мы уже давно можем измерять большие ускорения, вызванные чёрными дырами вокруг видимых звёзд и звёзд вблизи центра Галактики. Теперь мы можем перейти от измерений больших ускорений к измерениям крошечных ускорений на уровне примерно 10 см/с за десятилетие. 10 см/с — это скорость ползущего младенца».