Indsnævring af Mælkevejens masse

Siden fødslen af ​​moderne astronomi, videnskabsmænd har forsøgt at bestemme Mælkevejsgalaksens fulde udstrækning og lære mere om dens struktur, dannelse og evolution. På nuværende tidspunkt astronomer anslår, at det er 100, 000 til 180, 000 lysår i diameter og består af 100 til 400 milliarder stjerner - selvom nogle skøn siger, at der kan være så mange som 1 billion.

Og stadigvæk, selv efter årtiers forskning og observationer, der er stadig meget om vores galakse, som astronomer ikke ved. For eksempel, de forsøger stadig at bestemme, hvor massiv Mælkevejen er, og skøn varierer meget. I en ny undersøgelse, et hold af internationale videnskabsmænd præsenterer en ny metode til at veje galaksen baseret på dynamikken i Mælkevejens satellitgalakser.

Studiet, med titlen "Mælkevejens masse fra satellitdynamik, " optrådte for nylig i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society . Undersøgelsen blev ledet af Thomas Callingham fra University of Durham's Institute of Computational Cosmology, og inkluderede medlemmer fra Massachusetts Institute of Technology (MIT), Heidelberg Instituttet for Teoretiske Studier, og flere universiteter.

Som de angiver i deres undersøgelse, Mælkevejens masse er grundlæggende for vores forståelse af astrofysik. Ikke kun er det vigtigt med hensyn til at placere vores galakse i sammenhængen med den generelle galaksepopulation, men det spiller også en stor rolle, når vi behandler nogle af de største mysterier, der opstår fra vores nuværende astrofysiske og kosmologiske teorier.

Disse omfatter forviklingerne af galaksedannelse, uoverensstemmelser med den nuværende Lambda Cold Dark Matter (Lambda CDM) model, alternative teorier om mørkt stofs natur, og universets storskalastruktur. Hvad mere er, tidligere undersøgelser er blevet hæmmet af en række faktorer, som omfatter det faktum, at Mælkevejens mørkstof-halo (som udgør det meste af dens masse) ikke kan observeres direkte.

Et andet stort problem er, at det er svært at måle Mælkevejens udstrækning og masse, fordi vi er inden for den. Som resultat, tidligere undersøgelser, der har forsøgt at udlede massen af ​​vores galakse, resulterede i massevurderinger, der spænder fra omkring 500 milliarder til 2,5 billioner gange vores sols masse (solmasser). Som Callingham forklarede til Universe Today via e-mail, raffineret tilgang var nødvendig:

"Størstedelen af ​​galaksen er i dens mørke stof halo, som ikke umiddelbart kan observeres. I stedet, vi udleder dets egenskaber gennem observationer af forskellige dynamiske sporstoffer, der mærker det mørke stofs gravitationseffekter - såsom stjernepopulationer, kuglehobe, dampe og satellitgalakser. De fleste af disse ligger i centrum af vores galakse i den galaktiske skive (inden for ~10kpc) og stjerneglorien (~15kpc), hvilket kan give gode massevurderinger af det indre område. Men DM-haloen når ~200kpc, og af denne grund valgte vi at fokusere på satellitgalakser, som et af de eneste sporstoffer, der sonderer disse ydre dele af galaksen."

Af hensyn til deres studie, holdet stolede på data fra Gaia-satellittens anden dataudgivelse (DR2-udgivelse) for at sætte bedre begrænsninger på Mælkevejens masse. Gaia-missionen, som har givet mere information end nogensinde før om vores galakse, omfatter positionen og relative bevægelser af utallige stjerner i Mælkevejen - inklusive dem, der er i satellitgalakser. Som Callingham antydede, dette viste sig meget nyttigt til at begrænse Mælkevejens masse:

"Vi sammenligner kredsløbsegenskaberne Energi og vinkelmoment for MWs satellitgalakser med dem, der findes i simuleringer. Vi brugte de seneste observationer af MWs satellitter fra det seneste Gaia DR2-datasæt og en prøve af passende galakser og satellitgalakser fra EAGLE-simuleringerne, en førende simulering kørte i Durham med et stort volumen og fuld hydrodynamisk baryonisk fysik."

EAGLE-softwaren (Evolution and Assembly of Galaxies and their Environments), som blev udviklet af Durham University's Institute of Computational Cosmology, modellerer dannelsen af ​​strukturer i et kosmologisk volumen, der måler 100 Megaparsec på en side (over 300 millioner lysår). Imidlertid, at bruge denne software til at udlede massen af ​​Mælkevejen gav nogle udfordringer.

"En udfordring ved dette er den begrænsede prøve af galakser i MW-størrelse i EAGLE (eller faktisk enhver simulering), " sagde Callingham. "For at hjælpe dette bruger vi en masseskaleringsrelation til at skalere vores samlede prøve af galakser til at være den samme masse. Dette giver os mulighed for effektivt at bruge mere fra vores datasæt og forbedrer vores statistik betydeligt. Vores metode blev derefter grundigt testet ved at finde massen af ​​simulerede galakser fra EAGLE og Auriga-simuleringerne – en uafhængig suite af højopløsningssimuleringer. Dette sikrer, at vores masseestimat er robust og har realistiske fejl (noget feltet nogle gange kæmper med på grund af analytiske antagelser)."

Fra dette, de fandt ud af, at Mælkevejens samlede halomasse var omkring 1,04 x 1012 (over 1 billion) solmasser, med en fejlmargin på 20 procent. Dette skøn sætter meget strammere begrænsninger på Mælkevejens masse end tidligere skøn, og kunne have nogle betydelige implikationer inden for astronomi, astrofysik og kosmologi. Som Callingham opsummerede:

"Et strammere masseestimat kan bruges på mange måder. I galaksemodellering, DM-haloen er baggrunden, hvorpå stjernernes komponenter passer. Mange metoder til at undersøge arten af ​​DM, såsom strukturen af ​​DM-haloen, såvel som tætheden af ​​DM på Jorden til direkte detektionsformål afhænger af massen af ​​MW. Massen kan også bruges til at forudsige antallet af satellitgalakser omkring den MW, som vi forventer."

Ud over at forsyne astronomer med raffinerede målinger af Mælkevejens masse – hvilket vil gå langt i retning af at informere vores forståelse af dens størrelse, grad, og satellitgalaksepopulation - denne undersøgelse har også implikationer for vores forståelse af universet som helhed. Hvad mere er, it is yet another groundbreaking study that was made possible through Gaia's second data release.

The third release of Gaia data is scheduled to take place in late 2020, with the final catalog being published in the 2020s. I mellemtiden an extension has already been approved for the Gaia mission, which will now remain in operation until the end of 2020 (to be confirmed at the end of this year).