Jak zważyć galaktyki? Z pomocą mogą przyjść pulsary

Naukowcy opracowali metodę pokazującą, jak zważyć galaktyki przy użyciu pulsarów działających niczym niezwykle precyzyjne kosmiczne „zegary”. Podejście to może pomóc astronomom lepiej zrozumieć strukturę i ewolucję Drogi Mlecznej.

Jak zważyć galaktyki za pomocą pulsarów?

Naukowcy z University of Alabama in Huntsville opracowali nową metodę pomiaru masy galaktyk orbitujących wokół Drogi Mlecznej przy użyciu pulsarów – jednych z najdokładniejszych naturalnych „zegarów” we Wszechświecie – do wykrywania niewielkich efektów grawitacyjnych. Nowatorskie podejście skupia się na ukrytej ciemnej materii zawartej w pobliskich galaktykach satelitarnych. Badanie zostało opublikowane w serwisie arXiv.

W badaniu analizowano, w jaki sposób oddziaływania grawitacyjne sąsiednich galaktyk karłowatych subtelnie zaburzają Drogę Mleczną. Przyglądając się niezwykle precyzyjnym danym dotyczącym pomiarów czasowych pulsarów, naukowcy wykazali, że zaburzenia te mogą objawiać się niewielkimi asymetriami w przyspieszeniu galaktycznym w naszej części Drogi Mlecznej.

Pulsary – kosmiczne zegary

Pulsary to szybko obracające się pozostałości po zapadłych gwiazdach, emitujące wiązki promieniowania w niezwykle regularnych odstępach czasu. Ponieważ ich rytm jest tak stabilny, astronomowie mogą wykorzystywać je jako kosmiczne „zegary porównawcze” do wykrywania minimalnych zmian ruchu wywołanych grawitacją. Badacze wykorzystali tę zasadę do zbadania wpływu dwóch galaktyk satelitarnych Drogi Mlecznej – Wielkiego Obłoku Magellana oraz SagDEG.

„Od wielu lat wiadomo, że galaktyki karłowate powodują fale i zmarszczki w dysku naszej galaktyki, ale dopiero niedawno mogliśmy wykorzystać pulsary do uzyskiwania pomiarów przyspieszeń. Zdaliśmy sobie sprawę, że zaburzenia w dysku powodują przyspieszenia, które możemy wykryć za pomocą pulsarów działających jak anteny grawitacyjne” – mówi Thomas Donlon.

Szacowanie masy galaktyk

Tradycyjnie astronomowie szacują masy tego typu galaktyk, badając ruchy gwiazd. Jednak interpretacja takich pomiarów może być trudna, ponieważ wpływa na nią wiele nakładających się procesów, w tym ramiona spiralne, obłoki gazu i dawne interakcje galaktyczne. Zdaniem naukowców metoda oparta na pulsarach oferuje dokładniejszy i bardziej bezpośredni sposób pomiaru samego przyspieszenia grawitacyjnego.

„Główna różnica między tradycyjną metodą, znaną jako kinematyka, a bezpośrednimi pomiarami przyspieszeń polega na tym, że pomiary przyspieszeń opierają się na obserwacjach szeregów czasowych o ekstremalnej precyzji. Obserwacje te muszą być niezwykle dokładne, ponieważ galaktyki są ogromne, skale czasowe są długie, a przyspieszenia bardzo, bardzo małe” – podkreśla Sukanya Chakrabarti.

„Kinematyka opiera się na modelowaniu pojedynczego obrazu w czasie pozycji i prędkości gwiazd przy zastosowaniu upraszczających założeń – takich jak założenie, że galaktyka znajduje się w stanie równowagi, co obecnie wiemy, nie jest prawdą – aby oszacować przyspieszenie. My nie stosujemy tych założeń w naszych pomiarach przyspieszeń, dlatego są one dokładniejsze” – twierdzi.

„Pomiary przyspieszeń stają się dokładniejsze wraz z upływem czasu. Początkowo mieliśmy jedynie 14 pulsarów, następnie próbka została rozszerzona do 26, a później do 54. Dzięki temu większemu zbiorowi danych jesteśmy obecnie w stanie wykryć wpływ galaktyk karłowatych w stopniu pozwalającym nam na ich skuteczne zważenie” – dodaje.

„Gwiazdy orbitujące wokół naszej galaktyki pozostają na stałych trajektoriach, chyba że zostaną w jakiś sposób zaburzone, na przykład przez pobliską galaktykę karłowatą. Przez miliardy lat ruchy i pozycje tych gwiazd są zmieniane przez wiele zaburzeń pochodzących z różnych zdarzeń, co utrudnia określenie, jaka część trajektorii każdej gwiazdy zależy od konkretnego oddziaływania. Jednak przyspieszenia nie utrzymują się tak długo jak prędkości. Zanikają, gdy samo zaburzenie się kończy. Ponieważ takie zaburzenia trwają stosunkowo krótko, przyspieszenia pulsarów, które obserwujemy dziś, pochodzą wyłącznie z obecnych zaburzeń wywoływanych przez te dwie galaktyki karłowate” – tłumaczy Thomas Donlon.

Ile ważą galaktyki satelitarne Drogi Mlecznej?

Korzystając z symulacji komputerowych połączonych z obserwacjami „migotania” pulsarów, badacze oszacowali, że Wielki Obłok Magellana ma masę około 41 miliardów razy większą od masy Słońca, podczas gdy SagDEG ma masę około 350 milionów mas Słońca. Pomiary te obejmują zarówno materię widzialną, jak i ciemną materię – niewidzialną substancję, która, według naukowców, stanowi większość masy Wszechświata.

„Pomiary mas tych galaktyk karłowatych mogą pomóc nam zrozumieć ich wpływ na historię formowania się Drogi Mlecznej” – podsumowuje Sukanya Chakrabarti.

Emil Gołoś