眾所周知，由於神秘的暗能量，宇宙的膨脹正在加速。在星系中，恆星也會經歷加速，儘管這是由於暗物質和恆星密度的某種組合所致。在一項即將發表在《天體物理學期刊快報》上的新研究中，研究人員現在已經獲得了對我們母星系銀河系中平均加速度的首次直接測量。
圖註：顯示了銀河系盤中的波紋，以及射手座矮星系的潮汐碎片。插圖顯示了由查克拉巴蒂等人2021分析以計算銀河加速度的脈衝星。
在高級研究所的蘇卡尼亞·查克拉巴蒂（Sukanya Chakrabarti）的帶領下，羅徹斯特理工大學、羅切斯特大學和威斯康星州密爾沃基大學的合作者與該團隊合作，利用脈衝星數據記錄了銀河系內外恆星的徑向和垂直加速度。基於這些新的高精度測量結果以及銀河系中已知的可見物質數量，研究人員隨後能夠計算銀河系的暗物質密度，而無需通常假設銀河系處於穩態。
論文的主要作者、高級研究所現任成員、IBM愛因斯坦研究員查克拉巴蒂（Chakrabarti）表示："我們的分析不僅為我們提供了對銀河系中恆星所經歷的微小加速度的第一次測量，而且為擴展這項工作以了解暗物質的本質，並最終在更大尺度上理解暗能量提供了可能性。」
恆星以每秒數百公裡的速度飛越星系，但這項研究表明，它們的速度變化確實是以蝸牛的速度進行的，即每秒幾釐米的速度，這與爬行的嬰兒的速度差不多。為了發現這種微妙的運動，研究團隊依靠了脈衝星的超高精度計時能力，這些脈衝星廣泛分布在整個銀河平面和光暈中（圍繞銀河的彌散球形區域）。
威斯康星-密爾沃基大學的合著者菲利普·張（Philip Chang）說：「通過利用脈衝星的獨特特性，我們能夠測量銀河系中很小的加速度。我們的工作為銀河系動力學打開了一個新的窗口。」
光暈從銀河系中心向外延伸約30萬光年，可能為理解暗物質提供重要提示，暗物質約佔星系質量的90％，高度集中在星密銀河系平面的上方和下方。暗物質可能會影響這一特定區域的恆星運動（這項研究的主要重點）。利用通過這項研究獲得的局部密度測量，研究人員現在將對如何以及在何處尋找暗物質有了更好地了解。
儘管先前的研究假設銀河系處於平衡狀態以計算平均質量密度，但這項研究是基於銀河系的自然非平衡狀態。有人可以將其比作往池塘扔石頭之前和之後池塘表面之間的差異。通過考慮「波紋」，團隊可以獲取更準確的現實圖景。儘管在這種情況下，銀河而不是石頭，受到銀河合併的動蕩歷史的影響，並繼續受到外部小矮星系如麥哲倫星雲的幹擾。結果，恆星沒有平坦的軌道，並且傾向於沿著類似於彎曲的黑膠唱片的路徑，在銀河平面的上方和下方交叉。啟用這種直接觀測方法的關鍵因素之一是使用了來自國際合作的脈衝星數據，其中包括從綠岸和阿雷西博望遠鏡獲得數據的NANOGrav（北美重力波納米納赫天文臺）。
這份具有裡程碑意義的論文是對揚·H·奧爾特（Jan H. Oort）（1932）的工作的擴展。約翰·巴哈爾[John Bahcall（1984）]、Kuijken＆Gilmore（1989）、霍姆伯格與弗林[Holmberg＆Flynn（2000）]、喬·波維和斯科特·特雷馬因[Jo Bovy＆Scott Tremaine（2012）]計算了銀河平面內的平均質量密度（奧爾特限）和局部暗物質密度。包括奧爾特、巴哈爾、波維、特雷馬因和查克拉巴蒂在內的IAS學者在推動這一研究領域中發揮了重要作用。
「幾個世紀以來，天文學家一直在測量恆星的位置和速度，但這僅提供了銀河系複雜動力行為的快照，」高級研究所名譽教授斯科特·特雷馬因（Scott Tremaine）說， 「 查克拉巴蒂和她的合作者所測量的加速度直接來自銀河系物質可見和暗處的引力，從而為銀河系和星系中物質的分布和成分提供了一個新的有希望的窗口宇宙。」
這篇特別的論文將促成各種未來的研究。查克拉巴蒂今年早些時候開發的互補徑向速度法也將很快實現對加速度的精確測量，該方法可以高精度地測量恆星的速度變化。這項工作還可以對銀河系進行更詳細的模擬，改善對廣義相對論的限制，並為尋找暗物質提供線索。這種方法的擴展最終可能使我們也可以直接測量宇宙加速度。
雖然還不可能直接拍攝我們家鄉星系——類似於阿波羅太空人拍攝的地球星系——但這項研究提供了重要的新細節，以幫助從內部設想銀河系的動態組織。