Avanço permite medição da densidade local da matéria escura usando medições de aceleração direta

A Dra. Sukanya Chakrabarti, titular da Cátedra Pei-Ling Chan na Faculdade de Ciências da Universidade do Alabama em Huntsville (UAH), e sua equipe foram pioneiras no uso de medições de aceleração gravitacional de pulsares binários para ajudar a esclarecer quanta matéria escura existe na Via Láctea e onde ela reside. 

A Grande Nuvem de Magalhães, uma galáxia satélite anã orbitando a Via Láctea, fazendo com que a galáxia maior "oscile", transmitindo acelerações mensuráveis ​​aos pulsares da Via Láctea. Crédito: NASA 

O estudo anterior prometia que, à medida que o número de pontos de dados aumentasse com a adição de muito mais pulsares binários, o campo gravitacional da galáxia poderia ser mapeado com grande precisão, incluindo aglomerados de matéria escura galáctica .

Agora, Chakrabarti e sua equipe, incluindo o primeiro autor Dr. Tom Donlon, um associado de pós-doutorado da UAH, e a estudante de graduação em física da UAH Sophia Vanderwaal, publicaram um novo estudo que pela primeira vez detalha uma maneira de avançar neste campo usando pulsares solitários. O artigo está disponível no servidor de pré-impressão arXiv .

"Quando começamos este trabalho em 2021 e fizemos a publicação de acompanhamento no ano passado, nossa amostra era composta de pares de pulsares de milissegundos — pulsares binários de milissegundos", explica Chakrabarti. Um pulsar binário de milissegundos é um pulsar com um curto período de rotação que orbita outra estrela. "No entanto, a maioria dos pulsares não está em pares", observa o pesquisador.

"A maioria deles é solitária. Neste novo trabalho, mostramos como efetivamente dobrar o número de pulsares que podemos usar para restringir a matéria escura na galáxia usando rigorosamente pulsares solitários para medir acelerações galácticas."

"Restringir a matéria escura" significa limitar as possíveis propriedades e características da matéria escura por meio da análise de dados observacionais, essencialmente estreitando o leque de possíveis explicações para o que a matéria escura poderia ser, com base em como ela interage com outras matérias e afeta a estrutura do universo em diferentes escalas.

"Por ser uma amostra maior, agora temos um avanço", diz Chakrabarti. "Conseguimos medir a densidade local da matéria escura usando medições de aceleração direta pela primeira vez. E, em média, descobrimos que há menos de 1 quilo de matéria escura em um volume do da Terra. Se você comparar isso a milhões de quilos de ouro produzidos a cada ano, você pode ver que libra por libra, a matéria escura é mais valiosa do que o ouro."

Acredita-se que a matéria escura componha mais de 80% de toda a matéria no cosmos, mas é invisível à observação convencional, porque aparentemente não interage com a luz ou com os campos eletromagnéticos.

Mapeando a "oscilação" galáctica

"No meu trabalho anterior, usei simulações de computador para mostrar que, como a Via Láctea interage com galáxias anãs, as estrelas na Via Láctea sentem um puxão muito diferente da gravidade se estiverem abaixo ou acima do disco", diz Chakrabarti. "A Grande Nuvem de Magalhães (LMC) — uma galáxia anã bem grande — orbita nossa própria galáxia e, quando passa perto da Via Láctea, pode puxar parte da massa do disco galáctico em sua direção — levando a uma galáxia desequilibrada com mais massa de um lado, então sente a gravidade mais fortemente de um lado.

"É quase como se a galáxia estivesse balançando — mais ou menos como a maneira como uma criança anda, ainda não totalmente equilibrada. Então, essa assimetria ou efeito desproporcional nas acelerações do pulsar que surge da atração da LMC é algo que esperávamos ver. Aqui, com a amostra maior de acelerações do pulsar, somos realmente capazes de medir esse efeito pela primeira vez."

"O campo magnético incrivelmente forte dos pulsares irá torcer e enrolar-se sobre si mesmo enquanto o pulsar gira, o que leva a um tipo de atrito, como esfregar as mãos", acrescenta Donlon. "Os pulsares também emitem partículas em velocidades muito altas, que irradiam energia. Esses efeitos levam o pulsar a girar mais lentamente com o passar do tempo, e atualmente não há nenhuma maneira de calcular o quanto isso acontece a partir da teoria existente."

Esse fenômeno é chamado de "frenagem magnética", o processo pelo qual uma estrela perde momento angular ( velocidade rotacional ) devido ao seu campo magnético capturar partículas carregadas de sua superfície e arremessá-las para fora como um vento estelar, efetivamente levando consigo parte do giro da estrela. Modelar esse processo acabou sendo a chave para seguir em frente.

"Por causa desse spindown, fomos inicialmente — em 2021 e em nosso artigo de acompanhamento de 2024 — forçados a usar apenas pulsares em sistemas binários para calcular acelerações, porque as órbitas não são afetadas pela frenagem magnética", diz Donlon. "Com nossa nova técnica, somos capazes de estimar a quantidade de frenagem magnética com alta precisão, o que nos permite usar também pulsares individuais para obter acelerações."

Em astronomia, as taxas de spindown magnético referem-se à taxa na qual um objeto celeste, particularmente uma estrela de nêutrons em rotação (como um pulsar), desacelera sua rotação devido à perda de energia rotacional através da radiação dipolo magnética.

Por meio do mapeamento do campo de aceleração da galáxia, deve ser possível determinar a distribuição da matéria escura na Via Láctea com precisão bastante alta, relata o novo estudo.

"Em essência, essas novas técnicas agora permitem medições de acelerações muito pequenas que surgem da atração da matéria escura na galáxia", diz Chakrabarti. "Na comunidade astronômica, temos sido capazes de medir as grandes acelerações produzidas por buracos negros ao redor de estrelas visíveis e estrelas próximas ao centro galáctico há algum tempo.

"Agora podemos ir além da medição de grandes acelerações para medições de pequenas acelerações no nível de cerca de 10 cm/s/década — 10 cm/s é a velocidade de um bebê engatinhando."

Phys.org