众所周知，由于一种神秘的暗能量，宇宙正在加速膨胀。在星系内部，由于暗物质和恒星密度的共同作用，恒星也经历着加速。在一项即将发表在《天体物理学快报》上的新研究中，研究人员直接测量了脉冲双星相对于太阳系质心的银河加速度。由高等研究所（IAS）的Sukanya Chakrabarti领导，与来自罗彻斯特理工学院，罗彻斯特大学和威斯康星大学密尔沃基分校的合作者合作，该小组利用脉冲星数据记录了银道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结果以及银河系中已知的可见物质数量，无需假设银河系处于稳定状态，研究人员就能够计算银河系的暗物质密度。
银盘中的波纹结构以及人马矮星系的潮汐碎片。插图显示了Chakrabarti和合作者用于计算银河加速度的脉冲星。@ IAS/Dana Berry
“我们的分析不仅为我们首次测量了星系中恒星经历的微小加速度，而且还为扩展这项工作以了解暗物质的本质以及理解大尺度的暗能量提供了可能性，” 该论文的主要作者、高等研究所的IBM爱因斯坦研究员Chakrabarti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，它们速度的变化就像蜗牛的速度–每秒几厘米。为了探测这种细微的运动，研究团队依靠的是脉冲星的超高精度计时能力，这些脉冲星广泛分布在整个银道面和围绕银河系的球形银晕中。
“通过利用脉冲星的独特特性，我们能够测量银河系中非常小的加速度。我们的工作为星系动力学打开了一个新的窗口，”威斯康星大学密尔沃基分校的合著者Philip Chang说。
银晕从银河系中心向外延伸约30万光年，它可能会为理解暗物质提供重要线索，暗物质占银河系质量的90％，高度聚集在恒星稠密的银道面上下。暗物质可能会影响这一特定区域的恒星运动（本研究的主要重点）。利用通过这项研究获得的局部密度测量，研究人员现在将对如何以及在何处寻找暗物质有了更好的了解。
尽管先前的研究假设银河系处于平衡状态以计算平均质量密度，但这项研究是基于银河系的自然非平衡状态。人们可以将其比作扔石头前后池塘表面的差异。通过计算波纹结构，该团队能够获得更准确的现实图景。尽管在这种情况下，银河系受到星系并合湍动历史的影响，并持续受到外部矮星系（如大、小麦哲伦云）的干扰。结果，恒星的轨道并非平坦，它们倾向于沿着类似于扭曲的黑胶唱片的路径，穿插于银道面上下。进行这种直接观测的关键因素之一是使用来自国际合作收集的脉冲星数据，包括从绿岸和阿雷西博射电望远镜获得数据的北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）。
这篇具有里程碑意义的论文是对包括Oort在内的前人工作的扩展以此计算银道面内的平均质量密度（奥尔特极限）和局部暗物质密度。包括Oort、Bahcall、Bovy、Tremaine和Chakrabarti在内的IAS学者在推动这一研究领域中发挥了重要作用。
“几个世纪以来，天文学家已经测量了恒星的位置和速度，但是这些仅提供了银河系复杂动力学行为的简单描述，”IAS名誉教授Scott Tremaine说。“Chakrabarti和她的合作者测量到的加速度是由星系中物质的引力直接引起的，包括可见的和不可见的，因此为星系和宇宙中物质的分布和组成提供了一个新的有前景的窗口。”
这篇特别的论文将能够使我们进行广泛的未来研究。利用Chakrabarti今年早些时候开发的互补径向速度法（该方法可以高精度地测量恒星的速度变化），精确测量加速度也将很快成为可能。这项工作还可以对银河系进行更详细的模拟，改善对广义相对论的约束，并为寻找暗物质提供线索。这种方法的扩展最终也可能使我们能够直接测量宇宙的加速度。
