Siden fødslen af moderne astronomi har forskere forsøgt at bestemme det fulde omfang af Mælkevejen galaksen og lære mere om dens struktur, dannelse og evolution. På nuværende tidspunkt estimerer astronomer, at det er 100.000 til 180.000 lysår i diameter og består af 100 til 400 milliarder stjerner - skønt nogle estimater siger, at der kunne være så mange som 1 billion.
Og alligevel, selv efter årtier med forskning og observationer, er der stadig meget om vores galakse-astronomer ved ikke. For eksempel forsøger de stadig at bestemme, hvor massiv Mælkevejen er, og estimater varierer meget. I en ny undersøgelse præsenterer et team af internationale forskere en ny metode til at veje galaksen baseret på dynamikken i Mælkevejens satellitgalakser.
Undersøgelsen med titlen "Mælkenes masse fra satellitdynamik" dukkede for nylig op i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society. Undersøgelsen blev ledet af Thomas Callingham fra University of Durham's Institute of Computational Cosmology og omfattede medlemmer fra Massachusetts Institute of Technology (MIT), Heidelberg Institute for Theoretical Studies og flere universiteter.
Som de antyder i deres undersøgelse, er Mælkevejenes masse grundlæggende for vores forståelse af astrofysik. Det er ikke kun vigtigt med hensyn til at placere vores galakse i sammenhængen med den generelle galakspopulation, men det spiller også en vigtig rolle, når man adresserer nogle af de største mysterier, der opstår fra vores nuværende astrofysiske og kosmologiske teorier.
Disse inkluderer vanskelighederne med dannelse af galakse, uoverensstemmelser med den nuværende Lambda Cold Dark Matter (Lambda CDM) -model, alternative teorier om arten af mørkt stof og universets store struktur. Derudover er tidligere undersøgelser blevet hæmmet af en række faktorer, der inkluderer det faktum, at Mælkevejens mørke stof-glorie (som udgør det meste af dens masse) ikke kan observeres direkte.
Et andet vigtigt spørgsmål er det faktum, at det er vanskeligt at måle omfanget og massen af Mælkevejen, fordi vi er inden for den. Som et resultat resulterede tidligere undersøgelser, der har forsøgt at udlede massen af vores galakse, i massestimeringer, der spænder fra ca. 500 milliarder til 2,5 billioner gange massen af vores sol (solmasser). Som Callingham forklarede til Space Magazine via e-mail, var der behov for en raffineret tilgang:
”Størstedelen af galaksen er i sin mørke stof-glorie, som ikke kan observeres direkte. I stedet udleder vi dens egenskaber gennem observationer af forskellige dynamiske sporstoffer, der mærker tyngdekraftseffekten af det mørke stof - f.eks. Stellarpopulationer, kugleklynger, dampe og satellitgalakser. De fleste af disse ligger i midten af en vores galakse i den galaktiske skive (inden for ~ 10 kpc) og den stjernede glorie (~ 15 kpc), som kan give gode masseestimater af det indre område. Imidlertid når DM-haloen ~ 200kpc, og derfor valgte vi at fokusere på satellitgalakser, som en af de eneste sporere, der undersøger disse ydre dele af galaksen. ”
Af hensyn til deres undersøgelse stolede teamet på data fra Gaia-satellitens anden dataudgivelse (DR2-frigivelse) for at placere bedre begrænsninger på Mælkevejens masse. Gaia-missionen, der har givet mere information end nogensinde før om vores galakse, inkluderer positionen og relative bevægelser fra utallige stjerner i Mælkevejen - inklusive dem, der er i satellitgalakser. Som Callingham antydede, viste dette sig meget nyttigt til at begrænse Mælkevejenes masse:
”Vi sammenligner orbitalegenskaberne Energi og vinkelmomentum for MWs-satellitgalakser med dem, der findes i simuleringer. Vi brugte de seneste observationer af MWs-satellitterne fra det nylige 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 Miljøer), 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). Brug af denne software til at udlede massen af Mælkevejen frembragte dog nogle udfordringer.
"En udfordring med dette er den begrænsede prøve af galakser af 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 forbedre vores statistikker meget. Vores metode blev derefter strengt testet ved at finde massen af simulerede galakser fra EAGLE og Auriga-simuleringerne - en uafhængig pakke med højopløsnings-simuleringer. Dette sikrer, at vores masseestimat er robust og har realistiske fejl (noget som feltet undertiden kæmper med på grund af analytiske antagelser). ”
Fra dette fandt de, at den samlede halo-masse af Mælkevejen var ca. 1,04 x 1012 (over 1 billion) Solmasser, med en fejlmargin på 20%. Dette skøn lægger meget strammere begrænsninger på Mælkevejens masse end tidligere skøn og kan have nogle betydelige konsekvenser inden for områderne astronomi, astrofysik og kosmologi. Som Callingham opsummerede:
”Et strammere masseestimat kan bruges på mange måder. Ved galaksmodellering er DM-halogen det baggrund, hvorpå stjernekomponenterne passer. Mange metoder til at undersøge arten af DM, såsom DM-halogenes struktur, såvel som densiteten af DM på Jorden til direkte detekteringsformål afhænger af MW-massen. Massen kan også bruges til at forudsige antallet af satellitgalakser omkring MW, som vi forventer. ”
Ud over at give astronomer raffinerede målinger af Mælkevejens masse - som vil gå langt i retning af at informere vores forståelse af dens størrelse, udstrækning og satellitgalaksepopulation - har denne undersøgelse også konsekvenser for vores forståelse af universet som helhed. Hvad mere er, det er endnu en banebrydende undersøgelse, der blev muliggjort gennem Gaias anden udgivelse af data.
Den tredje udgivelse af Gaia data er planlagt til at finde sted i slutningen af 2020, hvor det endelige katalog offentliggøres i 2020'erne. I mellemtiden er en udvidelse allerede godkendt til Gaia mission, som nu forbliver i drift indtil udgangen af 2020 (skal bekræftes i slutningen af dette år).
