Hvordan vejer du en galakse? Især den du er i?

En ny teknik til at estimere massen af ​​galakser lover mere pålidelige resultater, især når det anvendes på store datasæt genereret af nuværende og fremtidige undersøgelser, ifølge et forskerhold ledet af Ekta Patel ved University of Arizona. Udgivet i Astrofysisk Journal , undersøgelsen er den første, der kombinerer de observerede fulde tredimensionelle bevægelser af flere af Mælkevejens satellitgalakser med omfattende computersimuleringer for at opnå et estimat med høj nøjagtighed for massen af ​​vores hjemmegalakse.

At bestemme massen af ​​galakser spiller en afgørende rolle i opklaringen af ​​fundamentale mysterier om universets arkitektur. Ifølge nuværende kosmologiske modeller, en galakses synlige stof, såsom stjerner, gas og støv, tegner sig for kun 15 procent af dens masse. De resterende 85 procent menes at være bosat i mørkt stof, en mystisk komponent, som aldrig er blevet observeret, og hvis fysiske egenskaber forbliver stort set ukendte. Langt størstedelen af ​​en galakses masse (for det meste mørkt stof) er placeret i dens glorie, et stort, omkringliggende region med få, hvis nogen, stjerner, og hvis form er stort set ukendt.

I en bredt accepteret kosmologisk model, mørkt stof filamenter spænder over hele universet, tegner lysende ("regelmæssig") stof med dem. Hvor de skærer hinanden, gas og støv akkumuleres og smelter sammen til galakser. Over milliarder af år, små galakser smelter sammen og bliver til større, og efterhånden som disse vokser i størrelse og deres tyngdekraft når længere og længere ud i rummet, de tiltrækker en zoologisk have af andre små galakser, som så bliver til satellitgalakser. Deres baner bestemmes af deres værtsgalakse, meget ligesom solens tyngdekraft dirigerer bevægelsen af ​​planeter og kroppe i solsystemet.

"Vi ved nu, at universet udvider sig, " siger Patel, en fjerdeårs kandidatstuderende i UA's Department of Astronomy and Steward Observatory. "Men når to galakser kommer tæt nok på, deres gensidige tiltrækning er større end indflydelsen fra det ekspanderende univers, så de begynder at kredse om hinanden omkring et fælles center, som vores Mælkevej og vores nærmeste nabo, Andromedagalaksen."

Selvom Andromeda nærmer sig Mælkevejen med 110 kilometer i sekundet, de to vil ikke smelte sammen før omkring 4,5 milliarder år fra nu. Ifølge Patel, sporing af Andromedas bevægelse er "ækvivalent med at se et menneskehår vokse på månens afstand."

Fordi det er umuligt at "veje" en galakse blot ved at se på den - meget mindre når observatøren tilfældigvis er inde i den, som det er tilfældet med vores Mælkevej - forskere udleder en galakses masse ved at studere himmellegemers bevægelser, mens de danser rundt i værtsgalaksen, ledet af dens tyngdekraft. Sådanne genstande - også kaldet sporstoffer, fordi de sporer massen af ​​deres værtsgalakse – kan være satellitgalakser eller strømme af stjerner skabt ud fra spredningen af ​​tidligere galakser, der kom for tæt på til at forblive intakte.

I modsætning til tidligere metoder, der almindeligvis bruges til at estimere en galakses masse, såsom at måle dets sporstoffers hastigheder og positioner, tilgangen udviklet af Patel og hendes medforfattere bruger deres vinkelmomentum, hvilket giver mere pålidelige resultater, fordi det ikke ændrer sig over tid. Vinkelmomentet af et legeme i rummet afhænger af både dets afstand og hastighed. Da satellitgalakser har en tendens til at bevæge sig rundt i Mælkevejen i elliptiske baner, deres hastigheder stiger, når de kommer tættere på vores galakse og falder, når de kommer længere væk. Fordi vinkelmomentet er produktet af både position og hastighed, der er ingen nettoændring, uanset om sporstoffet er nærmest eller længst i sin bane.

"Tænk på en kunstskøjteløber, der laver en piruette, " siger Patel. "Mens hun tegner i sine arme, hun spinder hurtigere. Med andre ord, hendes hastighed ændrer sig, men hendes vinkelmomentum forbliver den samme under hele varigheden af ​​hendes akt."

Studiet, som Patel præsenterer på torsdag, 7. juni, på det 232. møde i American Astronomical Society i Denver, er den første til at se på de fulde tredimensionelle bevægelser af ni af Mælkevejens 50 kendte satellitgalakser på én gang og sammenligne deres vinkelmomentmålinger med et simuleret univers indeholdende i alt 20, 000 værtsgalakser, der ligner vores egen galakse. Tilsammen huser disse simulerede galakser omkring 90, 000 satellitgalakser.

Patels hold fastslog Mælkevejens masse til 0,96 billioner solmasser. Tidligere skøn havde placeret vores galakses masse mellem 700 milliarder og 2 billioner solmasser. Resultaterne styrker også estimater, der tyder på, at Andromedagalaksen (M31) er mere massiv end vores Mælkevej.

Forfatterne håber at anvende deres metode på de stadigt voksende data, efterhånden som de bliver tilgængelige ved nuværende og fremtidige galaktiske undersøgelser såsom Gaia rumobservatoriet og LSST, det store synoptiske undersøgelsesteleskop. Ifølge medforfatter Gurtina Besla, en assisterende professor i astronomi ved UA, begrænsninger på Mælkevejens masse vil forbedres, efterhånden som der opnås nye observationer, der klokke hastigheden af ​​flere satellitgalakser, og da næste generations simuleringer vil give højere opløsning, gør det muligt for forskere at få bedre statistik for de mindste massesporere, de såkaldte ultrasvage galakser.

"Vores metode giver os mulighed for at drage fordel af målinger af hastigheden af ​​flere satellitgalakser samtidigt for at få et svar på, hvad teorien om koldt mørkt stof ville forudsige for massen af ​​Mælkevejens halo på en robust måde, "Besla siger. "Det er perfekt egnet til at drage fordel af den nuværende hurtige vækst i både observationsdatasæt og numeriske muligheder."