È risaputo che l'espansione dell'universo sta accelerando a causa di una misteriosa energia oscura. All'interno delle galassie, anche le stelle sperimentano un'accelerazione, sebbene ciò sia dovuto a una combinazione di materia oscura e densità stellare. In un nuovo studio da pubblicare in Lettere per riviste astrofisiche i ricercatori hanno ora ottenuto la prima misurazione diretta dell'accelerazione media che si verifica all'interno della nostra galassia natale, la via Lattea. Guidato da Sukanya Chakrabarti presso l'Institute for Advanced Study con i collaboratori del Rochester Institute of Technology, Università di Rochester, e Università del Wisconsin-Milwaukee, il team ha utilizzato i dati della pulsar per registrare le accelerazioni radiali e verticali delle stelle all'interno e all'esterno del piano galattico. Sulla base di queste nuove misurazioni ad alta precisione e della quantità nota di materia visibile nella galassia, i ricercatori sono stati quindi in grado di calcolare la densità della materia oscura della Via Lattea senza fare il solito presupposto che la galassia sia in uno stato stazionario.

"La nostra analisi non solo ci fornisce la prima misurazione delle minuscole accelerazioni sperimentate dalle stelle nella galassia, ma apre anche la possibilità di estendere questo lavoro per comprendere la natura della materia oscura, e infine energia oscura su scale più grandi, "dichiarò Chakrabarti, l'autore principale del documento e un attuale membro e IBM Einstein Fellow presso l'Institute for Advanced Study.

Le stelle sfrecciano attraverso la galassia a centinaia di chilometri al secondo, eppure questo studio indica che il cambiamento nelle loro velocità sta avvenendo a passo di lumaca, pochi centimetri al secondo, che è circa la stessa velocità di un bambino che striscia. Per rilevare questo movimento sottile, il team di ricerca ha fatto affidamento sulla capacità di misurazione del tempo ultraprecisa delle pulsar che sono ampiamente distribuite in tutto il piano galattico e nell'alone, una regione sferica diffusa che circonda la galassia.

"Sfruttando le proprietà uniche delle pulsar, siamo stati in grado di misurare accelerazioni molto piccole nella Galassia. Il nostro lavoro apre una nuova finestra nelle dinamiche galattiche, ", ha affermato il coautore Philip Chang dell'Università del Wisconsin-Milwaukee.

Estendendosi verso l'esterno di circa 300, 000 anni luce dal centro galattico, l'alone può fornire importanti spunti per comprendere la materia oscura, che rappresenta circa il 90% della massa della galassia ed è altamente concentrato sopra e sotto il piano galattico denso di stelle. Il movimento stellare in questa particolare regione, un obiettivo primario di questo studio, può essere influenzato dalla materia oscura. Utilizzando le misurazioni della densità locale ottenute attraverso questo studio, i ricercatori ora avranno un'idea migliore di come e dove cercare la materia oscura.

Mentre studi precedenti ipotizzavano uno stato di equilibrio galattico per calcolare la densità di massa media, questa ricerca si basa sul naturale, stato di non equilibrio della galassia. Si potrebbe paragonare questo alla differenza tra la superficie di uno stagno prima e dopo il lancio di una pietra. Tenendo conto delle "increspature" il team è stato in grado di ottenere un'immagine più accurata della realtà. Sebbene in questo caso, piuttosto che pietre, la Via Lattea è influenzata da una storia turbolenta di fusioni galattiche e continua ad essere perturbata da galassie nane esterne come le Piccole e Grandi Nubi di Magellano. Di conseguenza, le stelle non hanno orbite piatte e tendono a seguire un percorso simile a quello di un disco in vinile deformato, attraversamento sopra e sotto il piano galattico. Uno dei fattori chiave che ha permesso questo approccio di osservazione diretta è stato l'uso di dati pulsar compilati da collaborazioni internazionali, tra cui NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) che ha ottenuto dati dai telescopi Green Bank e Arecibo.

Questo documento fondamentale espande il lavoro di Jan H. Oort (1932); John Bahcall (1984); Kuijken &Gilmore (1989); Holmberg e Flynn (2000); Jo Bovy &Scott Tremaine (2012) per calcolare la densità di massa media nel piano galattico (limite di Oort) e la densità di materia oscura locale. studiosi IAS tra cui Oort, Bahcall, bovy, Tremaine, e Chakrabarti hanno svolto un ruolo importante nel far progredire quest'area di ricerca.

"Per secoli gli astronomi hanno misurato le posizioni e le velocità delle stelle, ma questi forniscono solo un'istantanea del complesso comportamento dinamico della galassia della Via Lattea, " ha dichiarato Scott Tremaine, Professore Emerito presso l'Institute for Advanced Study. "Le accelerazioni misurate da Chakrabarti e dai suoi collaboratori sono causate direttamente dalle forze gravitazionali della materia nella galassia, sia visibile che scuro, e quindi fornire una nuova e promettente finestra sulla distribuzione e la composizione della materia nella galassia e nell'universo."

Questo particolare documento consentirà un'ampia varietà di studi futuri. Presto saranno inoltre possibili misurazioni accurate delle accelerazioni utilizzando il metodo della velocità radiale complementare che Chakrabarti ha sviluppato all'inizio di quest'anno, che misura con alta precisione la variazione della velocità delle stelle. Questo lavoro consentirà anche simulazioni più dettagliate della Via Lattea, migliorare i vincoli sulla relatività generale, e fornire indizi nella ricerca della materia oscura. Le estensioni di questo metodo potrebbero infine permetterci di misurare direttamente anche l'accelerazione cosmica.

Anche se un'immagine diretta della nostra galassia, simile a quella della Terra scattata dagli astronauti dell'Apollo, non è ancora possibile, questo studio ha fornito nuovi dettagli essenziali per aiutare a immaginare l'organizzazione dinamica della galassia dall'interno.