Bestemmelse af Mælkevejens masse ved hjælp af hyperhastighedsstjerner

I århundreder, astronomer har kigget ud over vores solsystem for at lære mere om Mælkevejsgalaksen. Og stadigvæk, der er stadig mange ting ved det, der undslipper os, såsom at kende dens præcise masse. At bestemme dette er vigtigt for at forstå historien om galaksedannelse og udviklingen af ​​vores univers. Som sådan, astronomer har forsøgt forskellige teknikker til at måle den sande masse af Mælkevejen.

Indtil nu, ingen af ​​disse metoder har været særlig vellykkede. Imidlertid, en ny undersøgelse foretaget af et team af forskere fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics foreslog en ny og interessant måde at bestemme, hvor meget masse der er i Mælkevejen. Ved at bruge hyperhastighedsstjerner (HVS'er), der er blevet udstødt fra galaksens centrum, som referencepunkt, de hævder, at vi kan begrænse massen af ​​vores galakse.

Deres studie, med titlen "Constraining Milky Way Mass with Hypervelocity Stars", blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Astronomi og astrofysik . Undersøgelsen blev produceret af Dr. Giacomo Fragione, en astrofysiker ved universitetet i Rom, og professor Abraham Loeb – Frank B. Baird, Jr. professor i naturvidenskab, formanden for Astronomiafdelingen, og direktøren for Institute for Theory and Computation ved Harvard University.

For at være klar, at bestemme massen af ​​Mælkevejsgalaksen er ikke nogen enkel opgave. På den ene side, observationer er vanskelige, fordi solsystemet ligger dybt inde i selve galaksens skive. Men samtidig, der er også massen af ​​vores galakse mørke stof halo, hvilket er svært at måle, da det ikke er "lysende", og derfor usynlig for konventionelle påvisningsmetoder.

Nuværende vurderinger af galaksens samlede masse er baseret på bevægelserne af tidevandsstrømmer af gas og kuglehobe, som begge er påvirket af galaksens gravitationsmasse. Men indtil videre, disse målinger har produceret masseestimater, der spænder fra én til flere billioner solmasser. Som professor Loeb forklarede til Universe Today via e-mail, præcis måling af Mælkevejens masse er af stor betydning for astronomer:

"Mælkevejen giver et laboratorium til at teste den kosmologiske standardmodel. Denne model forudsiger, at antallet af satellitgalakser i Mælkevejen afhænger følsomt af dens masse. Når man sammenligner forudsigelserne med tællingen af ​​kendte satellitgalakser, det er vigtigt at kende Mælkevejens masse. I øvrigt, den samlede masse kalibrerer mængden af ​​usynligt (mørkt) stof og indstiller dybden af ​​gravitationspotentialet godt og antyder, hvor hurtigt stjerner skal bevæge sig for at de kan undslippe til det intergalaktiske rum."

Af hensyn til deres studie, Prof. Loeb og Dr. Fragione valgte derfor at tage en ny tilgang, som involverede modellering af HVS'ers bevægelser for at bestemme massen af ​​vores galakse. Mere end 20 HVS'er er blevet opdaget i vores galakse indtil videre, som kører med hastigheder på op til 700 km/s (435 mi/s) og er placeret i afstande på omkring 100 til 50, 000 lysår fra det galaktiske centrum.

Disse stjerner menes at være blevet slynget ud fra midten af ​​vores galakse takket være interaktionen mellem binære stjerner og det supermassive sorte hul (SMBH) i midten af ​​vores galakse – også kendt som. Skytten A*. Mens deres nøjagtige årsag stadig er genstand for debat, HVS'ernes kredsløb kan beregnes, da de er fuldstændigt bestemt af galaksens gravitationsfelt.

Som de forklarer i deres undersøgelse, forskerne brugte asymmetrien i den radiale hastighedsfordeling af stjerner i den galaktiske halo til at bestemme galaksens gravitationspotentiale. Hastigheden af ​​disse halostjerner er afhængig af den potentielle flugthastighed for HVS'er, forudsat at den tid, det tager for HVS'erne at fuldføre en enkelt bane, er kortere end halostjernernes levetid.

Fra dette, de var i stand til at skelne mellem forskellige modeller for Mælkevejen og den tyngdekraft, den udøver. Ved at adoptere den nominelle rejsetid for disse observerede HVS'er - som de beregnede til omkring 330 millioner år, omtrent det samme som den gennemsnitlige levetid for halostjerner - de var i stand til at udlede gravitationsestimater for Mælkevejen, som gav mulighed for skøn over dens samlede masse.

"Ved at kalibrere minimumshastigheden for ubundne stjerner, vi finder ud af, at Mælkevejens masse er i intervallet 1,2-1,9 billioner solmasser, " sagde Loeb. Mens han stadig er underlagt en rækkevidde, dette seneste skøn er en væsentlig forbedring i forhold til tidligere skøn. Hvad mere er, disse estimater er konsistente vores nuværende kosmologiske modeller, der forsøger at redegøre for alt synligt stof i universet, samt mørkt stof og mørk energi – Lambda-CDM-modellen.

"Den udledte Mælkevejsmasse er inden for det forventede område inden for den kosmologiske standardmodel, " sagde Leob, "hvor mængden af ​​mørkt stof er omkring fem gange større end almindeligt (lysende) stof."

Baseret på denne opdeling, det kan siges, at normalt stof i vores galakse – altså stjerner, planeter, støv og gas – tegner sig for mellem 240 og 380 milliarder solmasser. Så ikke kun giver denne seneste undersøgelse mere præcise massebegrænsninger for vores galakse, det kan også hjælpe os med at bestemme præcist, hvor mange stjernesystemer der er derude – nuværende skøn siger, at Mælkevejen har mellem 200 og 400 milliarder stjerner og 100 milliarder planeter.

Udover det, denne undersøgelse er også vigtig for studiet af kosmisk dannelse og evolution. Ved at placere mere præcise skøn over vores galakses masse, dem, der er i overensstemmelse med den nuværende nedbrydning af normalt stof og mørkt stof, kosmologer vil være i stand til at konstruere mere nøjagtige beretninger om, hvordan vores univers blev til. Et skridt tættere på at forstå universet på den største skala!