Tamna materija predstavlja više od 80% ukupne materije u svemiru, no ostaje neuhvatljiva za tradicionalne metode promatranja jer ne stupi u interakciju sa svjetlošću i elektromagnetskim poljima. Dr. Sukanya Chakrabarti, znanstvenica na Prirodoslovnom fakultetu Sveučilišta u Alabami u Huntsvilleu (UAH), u suradnji s glavnim autorom, dr. Tomom Donlonom, objavila je studiju koja nastoji razotkriti prisutnost i raspodjelu tamne materije unutar naše galaksije. To je postignuto analizom gravitacijskog ubrzanja binarnih pulsara, otvarajući novo poglavlje u razumijevanju ove misteriozne komponente kozmosa.
Istraživanje tamne tvari
Predstavljajući svoje istraživanje na 243. sastanku Američkog astronomskog društva u New Orleansu u siječnju, Chakrabarti je detaljno govorila o novim metodama za mjerenje galaktičkih ubrzanja. Pulsari, brzo rotirajuće neutronske zvijezde koje emitiraju pulsirajuće zračenje u redovitim intervalima od sekundi do milisekundi, posebno su značajni kada su dio binarnog sustava. Ovaj aranžman omogućava testiranje opće relativnosti zbog intenzivnih gravitacijskih polja koja okružuju te objekte. “Pulsari su izuzetni galaktički satovi čija preciznost može parirati atomskim satovima,” ističe Chakrabarti.
“Desetljećima se pulsari koriste u preciznim testiranjima opće relativnosti. Sada ih primjenjujemo za izravna mjerenja sitnih ubrzanja zvijezda unutar gravitacijskog potencijala naše galaksije. Ta su ubrzanja toliko mala, samo oko deset centimetara po sekundi tijekom desetljeća, te su stoga prethodno bila teška za mjerenje. Podaci o vremenskom mjerenju pulsara, prikupljeni putem projekata poput NANOGrav-a, omogućili su ova istraživanja.”
NANOGrav, Sjevernoameričko opservatorij za gravitacijske valove na nanohertzima, je konzorcij astronoma koji detektiraju gravitacijske valove koristeći instrumente poput teleskopa Green Bank, Arecibo, Very Large Array i Kanadski Hydrogen Intensity Mapping Experiment.
“Postižući mjerenja ubrzanja s iznimnom preciznošću, sada imamo najizravniji uvid u gravitacijski potencijal galaksije, što nadmašuje sve dosadašnje astronomske metode,” navodi Chakrabarti. “Sada imamo mnogo neovisnih dokaza koji pokazuju da je Mliječna staza imala izuzetno dinamičnu povijest. Analizom većeg uzorka mjerenja vremena pulsara, Donlon prvi puta izravno pokazuje da je galaksija bila pod utjecajem dinamičkih interakcija, poput prolazaka patuljastih galaksija.”
Gravitacijski potencijal
Modeliranje gravitacijskog potencijala galaksije uzrokovano tamnom tvari može se usporediti s brojanjem valova na površini jezera nakon što je kamen bačen u vodu.
“Koristili smo svaki pulsar koji smo mogli pronaći, pod uvjetom da ima sve potrebne informacije,” kaže Donlon. “Da bismo mjerili ubrzanje pulsara, potrebno je da se oni nalaze u stabilnom binarnom sustavu. Osim toga, moramo znati udaljenost pulsara, njegovo kretanje na nebu i detalje njegove orbite; sve to zahtijeva izuzetno precizna mjerenja koja se akumuliraju tijekom godina. Kako vrijeme prolazi, očekujemo da ćemo imati više pulsara koje možemo koristiti u budućim istraživanjima.”
Postoje dva ključna načina na koja nam ta ubrzanja pomažu razumjeti svemir. Prvo, binarni pulsari emitiraju gravitacijske valove, što dovodi do smanjenja njihovih orbita sve do konačnog sudara. Zbog snažnih gravitacijskih polja u ovakvim sustavima i izuzetne preciznosti mjerenja vremena pulsara, moguće je testirati predikcije opće relativnosti temeljem promatranog smanjenja orbite pulsara.
Drugi način odnosi se na proučavanje tamne tvari. Iako se tamna tvar ne može vidjeti, ona ipak interagira s običnom materijom kroz gravitaciju, a ta dodatna gravitacija uzrokuje ubrzanja. Uspoređujući ubrzanja koja zapravo mjerimo s ubrzanjima koja bismo očekivali od obične materije, možemo utvrditi koliko tamne tvari postoji i gdje se ona nalazi.
Donlon objašnjava: “Planiramo eksperimente koji će uključivati znatno veći broj pulsara, što će postati moguće kako se povećava broj dostupnih mjerenja. Kako se broj podataka povećava, bit ćemo u mogućnosti mapirati gravitacijsko polje naše galaksije s nevjerojatnom preciznošću, uključujući detekciju mogućih koncentracija tamne tvari. Rezultati istraživanja su objavljeni na otvorenom serveru arXiv.
