Od narodzin współczesnej astronomii naukowcy starali się ustalić pełny zasięg galaktyki Drogi Mlecznej i dowiedzieć się więcej o jej strukturze, formowaniu i ewolucji. Obecnie astronomowie szacują, że ma on średnicę od 100 000 do 180 000 lat świetlnych i składa się ze 100 do 400 miliardów gwiazd - choć niektóre szacunki wskazują, że może być ich nawet 1 bilion.
A jednak, nawet po dziesięcioleciach badań i obserwacji, wciąż wiele wiemy o naszych galaktycznych astronomach, o których nie wiemy. Na przykład wciąż próbują ustalić, jak ogromna jest Droga Mleczna, a szacunki różnią się znacznie. W nowym badaniu zespół międzynarodowych naukowców przedstawia nową metodę ważenia galaktyki opartą na dynamice galaktyk Drogi Mlecznej.
Badanie zatytułowane „Masa Drogi Mlecznej z dynamiki satelitarnej” niedawno pojawiło się w Miesięczne zawiadomienia Royal Astronomical Society. Badanie było prowadzone przez Thomasa Callinghama z Instytutu Kosmologii Obliczeniowej University of Durham i obejmowało członków z Massachusetts Institute of Technology (MIT), Heidelberg Institute for Theoretical Studies i wielu uniwersytetów.
Jak wskazują w swoich badaniach, masa Drogi Mlecznej ma podstawowe znaczenie dla naszego zrozumienia astrofizyki. Jest to nie tylko ważne z punktu widzenia umieszczenia naszej galaktyki w kontekście ogólnej populacji galaktyk, ale także odgrywa ważną rolę w rozwiązywaniu niektórych z największych tajemnic, które wynikają z naszych obecnych teorii astrofizycznych i kosmologicznych.
Należą do nich zawiłości formowania się galaktyk, rozbieżności z obecnym modelem Lambda Cold Dark Matter (Lambda CDM), alternatywne teorie dotyczące natury ciemnej materii i wielkoskalowej struktury Wszechświata. Co więcej, poprzednie badania były utrudnione przez wiele czynników, w tym fakt, że aureoli ciemnej materii Drogi Mlecznej (która stanowi większość jej masy) nie można zaobserwować bezpośrednio.
Innym ważnym problemem jest fakt, że trudno jest zmierzyć zasięg i masę Drogi Mlecznej, ponieważ jesteśmy w jej obrębie. W rezultacie poprzednie badania, w których próbowano wywnioskować masę naszej galaktyki, doprowadziły do oszacowania masy w zakresie od około 500 miliardów do 2,5 tryliona razy masy naszego Słońca (masy Słońca). Jak Callingham wyjaśnił Space Magazine za pośrednictwem poczty elektronicznej, potrzebne było wyrafinowane podejście:
„Większość galaktyki znajduje się w halo ciemnej materii, którego nie można bezpośrednio zaobserwować. Zamiast tego wnioskujemy o jego właściwościach poprzez obserwacje różnych dynamicznych znaczników, które odczuwają grawitacyjne skutki ciemnej materii - takich jak populacje gwiazd, gromady kuliste, parki i galaktyki satelitarne. Większość z nich leży w centrum naszej galaktyki w dysku galaktycznym (w granicach ~ 10kpc) i gwiezdnej halo (~ 15kpc), co może dać dobre oszacowanie masy wewnętrznego regionu. Jednak halo DM osiąga ~ 200kpc iz tego powodu postanowiliśmy skupić się na galaktykach satelitarnych, jako jednym z niewielu znaczników, które badają te zewnętrzne części galaktyki. ”
Ze względu na swoje badania zespół polegał na danych z drugiego wydania danych satelity Gaia (wydanie DR2), aby nałożyć lepsze ograniczenia na masę Drogi Mlecznej. Misja Gaia, która dostarczyła więcej informacji o naszej galaktyce niż kiedykolwiek wcześniej, obejmuje położenie i ruchy niezliczonych gwiazd w Drodze Mlecznej - w tym te, które znajdują się w galaktykach satelitarnych. Jak wskazał Callingham, okazało się to bardzo przydatne do ograniczania masy Drogi Mlecznej:
„Porównujemy właściwości orbitalne Energia i Moment Kątowy galaktyk satelitarnych MWs z tymi znajdowanymi w symulacjach. Wykorzystaliśmy najnowsze obserwacje satelitów MWs z ostatniego zestawu danych Gaia DR2 oraz próbkę odpowiednich galaktyk i galaktyk satelitarnych z symulacji EAGLE, wiodącej symulacji przeprowadzonej w Durham z dużą objętością i pełną hydrodynamiczną fizyką barionową. ”
Oprogramowanie EAGLE (Ewolucja i montaż GaLaxies i ich środowisk), opracowane przez Instytut Kosmologii Obliczeniowej Uniwersytetu Durham, modeluje tworzenie struktur w objętości kosmologicznej o wymiarach 100 megaparseków na bok (ponad 300 milionów lat świetlnych). Jednak użycie tego oprogramowania do ustalenia masy Drogi Mlecznej stanowiło pewne wyzwanie.
„Wyzwaniem jest ograniczona próbka galaktyk o wielkości MW w EAGLE (lub w rzeczywistości w dowolnej symulacji)”, powiedział Callingham. „Aby temu zaradzić, używamy relacji skalowania masy, aby skalować naszą całkowitą próbkę galaktyk, aby uzyskać tę samą masę. To pozwala nam efektywnie wykorzystywać więcej z naszego zestawu danych i znacznie poprawia nasze statystyki. Nasza metoda została następnie rygorystycznie przetestowana przez znalezienie masy symulowanych galaktyk z EAGLE i symulacji Auriga - niezależnego zestawu symulacji wysokiej rozdzielczości. To gwarantuje, że nasze oszacowanie masy jest solidne i zawiera realistyczne błędy (coś, z czym czasami boryka się pole z powodu analitycznych założeń). ”
Na tej podstawie odkryli, że całkowita masa halo Drogi Mlecznej wynosiła około 1,04 x 1012 (ponad 1 bilion) Masy słoneczne, z marginesem błędu 20%. Szacunki te nakładają znacznie większe ograniczenia na masę Drogi Mlecznej niż poprzednie szacunki i mogą mieć pewne znaczące implikacje w dziedzinie astronomii, astrofizyki i kosmologii. Jak podsumował Callingham:
„Bardziej precyzyjne oszacowanie masy można wykorzystać na wiele sposobów. W modelowaniu galaktyk halo DM jest tłem, na którym pasują elementy gwiezdne. Wiele metod badania natury DM, takich jak struktura halo DM, a także gęstość DM na Ziemi do celów bezpośredniego wykrywania, zależy od masy MW. Masę można również wykorzystać do prognozowania oczekiwanej liczby galaktyk satelitarnych wokół MW. ”
Oprócz zapewnienia astronomom dokładnych pomiarów masy Drogi Mlecznej - co znacznie przyczyni się do lepszego zrozumienia jej wielkości, zasięgu i populacji galaktyk satelitarnych - badanie to ma również wpływ na nasze rozumienie Wszechświata jako całości. Co więcej, jest to kolejne przełomowe badanie, które było możliwe dzięki Gaia's drugie wydanie danych.
Trzecie wydanie Gaia dane mają się odbyć pod koniec 2020 r., a ostateczny katalog zostanie opublikowany w latach 2020. Tymczasem rozszerzenie zostało już zatwierdzone dla Gaia misja, która będzie działać do końca 2020 r. (do potwierdzenia pod koniec tego roku).
