李·桑德伯格，高级研究所 图中显示了银河系圆盘中的波纹，以及来自人马座矮星系的潮汐碎片
插图显示了查克拉巴蒂等人2021年为计算银河加速度而分析的脉冲星
信用:IAS丹娜·贝里 众所周知，由于一种神秘的暗能量，宇宙正在加速膨胀
在星系内，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
在即将发表在《天体物理学杂志快报》上的一项新研究中，研究人员现在已经获得了对我们的家乡银河系内发生的平均加速度的第一次直接测量
由高级研究所的苏康亚·查克拉巴蒂领导，罗切斯特理工学院、罗切斯特大学和威斯康星-密尔沃基大学的合作者，该团队使用脉冲星数据来记录银河平面内外恒星的径向和垂直加速度
基于这些新的高精度测量和银河系中已知的可见物质数量，研究人员能够计算出银河系的暗物质密度，而无需做出银河系处于稳定状态的通常假设
“我们的分析不仅给了我们银河系中恒星经历的微小加速度的第一次测量，而且也开启了扩展这项工作的可能性，以理解暗物质的性质，并最终在更大的尺度上理解暗能量，”该论文的主要作者、高级研究所的现任成员和IBM爱因斯坦研究员查克拉巴蒂说
恒星以每秒数百公里的速度穿过银河系，但这项研究表明，它们的速度变化是以字面上的蜗牛速度发生的——每秒几厘米，大约与爬行的婴儿一样快
为了探测这种微妙的运动，研究小组依赖于脉冲星的超精密计时能力，这些脉冲星广泛分布在星系周围的弥散球形区域——银河平面和光晕中
“通过利用脉冲星的独特性质，我们能够测量银河系中非常小的加速度
威斯康星大学密尔沃基分校的合著者菲利普·张说:“我们的工作打开了银河动力学的一个新窗口。”
光环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线索，暗物质约占银河系质量的90%，高度集中在恒星密集的银道面上方和下方
这个特殊区域的恒星运动——这项研究的主要焦点——可能会受到暗物质的影响
利用通过这项研究获得的局部密度测量，研究人员现在将更好地了解如何以及在哪里寻找暗物质
虽然以前的研究假设银河系处于平衡状态来计算平均质量密度，但这项研究是基于银河系的自然非平衡状态
人们可能会将此类比为扔石头前后池塘表面的差异
通过计算“涟漪”，该团队能够获得更准确的现实图景
虽然在这种情况下，不是石头，而是银河系受到银河系合并的动荡历史的影响，并继续受到外部矮星系如小麦哲伦星云和大麦哲伦星云的干扰
因此，恒星没有平坦的轨道，往往会遵循类似扭曲的乙烯唱片的轨迹，穿越银河平面的上方和下方
促成这种直接观测方法的一个关键因素是使用了国际合作汇编的脉冲星数据，包括从格林班克和阿雷西博望远镜获得数据的NANOGrav(北美纳米赫兹引力波天文台)
这篇里程碑式的论文扩展了扬·赫的工作
奥尔特(1932)；约翰·巴赫尔(1984)；kuijken & Gilmore(1989)；霍尔姆伯格和弗林(2000)；Jo Bovy & Scott Tremaine (2012)计算了银道面的平均质量密度(奥尔特极限)和局部暗物质密度
包括奥尔特、巴赫尔、包维、特里梅因和查克拉巴蒂在内的国际会计准则学者在推进这一领域的研究中发挥了重要作用
“几个世纪以来，天文学家已经测量了恒星的位置和速度，但这些仅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·特里梅因说
“查克拉巴蒂和她的合作者测量的加速度是由星系中可见和暗物质的重力直接引起的，从而为星系和宇宙中物质的分布和组成提供了一个新的有希望的窗口
" 这篇特别的论文将使未来的研究更加广泛
使用查克拉巴蒂今年早些时候开发的互补径向速度方法，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速度的变化
这项工作还将实现对银河系更详细的模拟，改善对广义相对论的限制，并为寻找暗物质提供线索
这种方法的扩展可能最终也允许我们直接测量宇宙加速度
虽然我们的家乡星系——类似于阿波罗宇航员拍摄的地球——还不可能有一个直接的图像，但这项研究提供了重要的新细节，有助于从内部想象星系的动态组织
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