La materia oscura comprende oltre l’80% di tutta la materia del cosmo ma è invisibile all’osservazione convenzionale, perché apparentemente non interagisce con la luce o i campi elettromagnetici. Ora la dottoressa Sukanya Chakrabarti, titolare della cattedra Pei-Ling Chan presso il College of Science dell'Università dell'Alabama a Huntsville (UAH), insieme all'autore principale dottor Tom Donlon, un associato post-dottorato della UAH, hanno scritto un articolo per aiutare a illuminare quanta materia oscura c'è nella nostra galassia e dove risiede studiando l'accelerazione gravitazionale delle pulsar binarie.

Chakrabarti ha tenuto un discorso in plenaria su questo lavoro e su altri metodi per misurare le accelerazioni galattiche al 243esimo incontro dell'American Astronomical Society a New Orleans a gennaio. I risultati sono pubblicati anche su arXiv server di prestampa.

Le pulsar sono stelle di neutroni in rapida rotazione che emettono impulsi di radiazione a intervalli regolari che vanno dai secondi ai millisecondi. Una pulsar binaria è una pulsar con una compagna che consente ai fisici di testare la relatività generale a causa dei forti campi gravitazionali che accompagnano questi oggetti. "Le pulsar sono fantastici orologi galattici dotati di una stabilità temporale che rivaleggia con gli orologi atomici", spiega Chakrabarti.

"Le pulsar sono state utilizzate per decenni nei test di precisione della teoria della relatività generale. Le usiamo per misurare direttamente le minuscole accelerazioni delle stelle che vivono nel potenziale gravitazionale della nostra galassia. Queste accelerazioni sono solo di circa 10 centimetri al secondo su un dieci anni, o circa la velocità di un bambino che gattona, motivo per cui in precedenza era difficile misurare questi piccoli cambiamenti. I dati sulla temporizzazione delle pulsar provenienti da strutture come NANOGrav e altri impianti di temporizzazione delle pulsar hanno reso le misurazioni fattibili."

NANOGrav, o North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, è un consorzio di astronomi che rilevano le onde gravitazionali utilizzando il Green Bank Telescope, l'Osservatorio di Arecibo, il Very Large Array e il Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment.

"Ottenendo misurazioni delle accelerazioni di estrema precisione, ora disponiamo della sonda più diretta del potenziale gravitazionale della galassia oltre ciò che è stato fatto in astronomia nel corso dell'ultimo secolo", osserva Chakrabarti. "Ora ci sono molte prove indipendenti che mostrano che la galassia ha effettivamente avuto una storia altamente dinamica. L'analisi di Tom del campione temporale più grande della pulsar mostra direttamente per la prima volta che la galassia è stata disturbata da interazioni dinamiche, come il passaggio di stelle nane galassie."

Ottenere un modello accurato del potenziale gravitazionale della galassia causato dalla materia oscura è un po' come contare le increspature in uno stagno dopo che viene lanciata la pietra.

"Abbiamo utilizzato ogni pulsar che abbiamo potuto ottenere, purché avesse tutte le misurazioni di cui avevamo bisogno", afferma l'autore principale Donlon. "Per misurare l'accelerazione di una pulsar, è necessario che si trovino in un sistema binario stabile. Bisogna anche sapere quanto è lontana la pulsar, il suo movimento nel cielo e i dettagli sulla sua orbita; tutte queste cose richiedono un'estrema precisione misurazioni che richiedono anni di osservazioni! Col passare del tempo, dovremmo avere più pulsar da utilizzare per studi futuri."

Donlon riferisce che ci sono due modi principali in cui queste accelerazioni ci aiutano a conoscere l’universo. "Il primo è che le pulsar binarie emettono onde gravitazionali, che fanno sì che le loro orbite si rimpiccioliscano nel tempo, e alla fine i due oggetti si scontrano l'uno con l'altro. Perché il campo gravitazionale è molto forte in questo tipo di sistema, e le misurazioni dei tempi delle pulsar sono molto precisi, è possibile verificare le previsioni fatte dalla relatività generale rispetto al decadimento osservato dell'orbita della pulsar.

"Il secondo modo è attraverso test sulla materia oscura. La materia oscura non può essere vista, ma interagisce comunque con la materia normale attraverso la gravità, e quella gravità aggiuntiva provoca accelerazioni su queste pul-SARS. Confrontando le accelerazioni che effettivamente vediamo con le accelerazioni che ci aspettiamo di ottenere dalla materia normale, possiamo capire quanta materia oscura c'è e dove si trova."

Guardando al futuro di questa ricerca, Donlon conclude:"Possiamo pianificare esperimenti che richiedono molte più pulsar, cosa che diventerà possibile man mano che otterremo più misurazioni dei tempi delle pulsar. Man mano che il numero di punti dati crescerà, saremo in grado di mappare la galassia campo gravitazionale con incredibile precisione, compresi oggetti come eventuali grumi di materia oscura."

Ulteriori informazioni: Thomas Donlon et al, Struttura galattica dalle accelerazioni binarie delle pulsar:oltre i modelli uniformi, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2401.15808

Informazioni sul giornale: arXiv

Fornito dall'Università dell'Alabama a Huntsville