Od narození moderní astronomie se vědci snažili určit celý rozsah galaxie Mléčná dráha a dozvědět se více o její struktuře, formaci a vývoji. V současnosti astronomové odhadují, že průměr je 100 000 až 180 000 světelných let a skládá se ze 100 až 400 miliard hvězd - ačkoli některé odhady říkají, že by mohlo být až 1 bilion.
A přesto, i po desetiletích výzkumu a pozorování, je toho o našich galaxiích astronomů stále mnoho. Například se stále snaží zjistit, jak masivní je Mléčná dráha a odhady se velmi liší. V nové studii představuje tým mezinárodních vědců novou metodu vážení galaxie založenou na dynamice galaxií satelitů Mléčné dráhy.
Studie s názvem „Hmotnost Mléčné dráhy ze satelitní dynamiky“ se nedávno objevila v EU Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti. Studii vedl Thomas Callingham z University of Durham Institute of Computational Cosmology, a zahrnovali členy Massachusetts Institute of Technology (MIT), Heidelberg Institute for Theoretical Studies a více univerzit.
Jak ukazují ve své studii, hmotnost Mléčné dráhy je pro naše pochopení astrofyziky zásadní. Nejen, že je to důležité z hlediska umístění naší galaxie do kontextu obecné galaxie, ale také hraje hlavní roli při oslovování některých největších záhad, která vycházejí z našich současných astrofyzikálních a kosmologických teorií.
Patří mezi ně složitost formování galaxií, rozpory se současným modelem Lambda Cold Dark Matter (Lambda CDM), alternativní teorie o povaze temné hmoty a rozsáhlá struktura vesmíru. Navíc, předchozí studie byly omezeny řadou faktorů, mezi které patří skutečnost, že temnou hmotu Mléčné dráhy (která tvoří většinu její hmotnosti) nelze přímo pozorovat.
Dalším velkým problémem je skutečnost, že je obtížné měřit rozsah a hmotnost Mléčné dráhy, protože jsme v ní. Výsledkem bylo, že předchozí studie, které se pokusily odvodit hmotu naší galaxie, vedly k odhadům hmotnosti pohybujícím se od asi 500 miliard do 2,5 bilionů krát hmotnosti naší Slunce (sluneční hmoty). Jak Callingham vysvětlil časopisu Space Magazine e-mailem, byl zapotřebí rafinovaný přístup:
"Většina galaxie je ve své temné hmotě halo, kterou nelze přímo pozorovat." Místo toho odvozujeme její vlastnosti pozorováním různých dynamických značek, které pociťují gravitační účinky temné hmoty - jako jsou hvězdné populace, kulové hvězdokupy, páry a satelitní galaxie. Většina z nich leží ve středu naší galaxie v galaktickém disku (do ~ 10 kpc) a ve hvězdném halou (~ 15 kpc), což může poskytnout dobré odhady hmotnosti vnitřní oblasti. DM halo však dosahuje ~ 200 kpc, a proto jsme se rozhodli zaměřit se na satelitní galaxie, jako jeden z jediných indikátorů, které snímají tyto vnější části galaxie. “
Pro účely studia se tým spoléhal na data z druhého uvolnění dat satelitu Gaia (uvolnění DR2), aby kladla lepší omezení na hmotnost Mléčné dráhy. Mise Gaia, která o naší galaxii poskytla více informací než kdykoli předtím, zahrnuje polohu a relativní pohyby bezpočet hvězd v Mléčné dráze - včetně těch, které jsou v satelitních galaxiích. Jak naznačil Callingham, toto se ukázalo jako velmi užitečné pro omezování hmotnosti Mléčné dráhy:
"Porovnáme orbitální vlastnosti Energie a Úhlový moment satelitních galaxií MWs s těmi, které se nacházejí v simulacích." Použili jsme nejnovější pozorování satelitů MWs z nedávného datového souboru Gaia DR2 a vzorek vhodných galaxií a satelitních galaxií ze simulací EAGLE, vedoucí simulace proběhla v Durhamu s velkým objemem a plnou hydrodynamickou baryonskou fyzikou. “
Software EAGLE (Evoluce a montáž GaLaxies a jejich prostředí), který byl vyvinut Ústavem výpočetní kosmologie Durhamovy univerzity, modeluje tvorbu struktur v kosmologickém objemu, který měří 100 megaparseků na straně (více než 300 milionů světelných let). Použití tohoto softwaru k odvození hmotnosti Mléčné dráhy však představovalo určité výzvy.
"Výzvou je omezený vzorek galaxií o velikosti MW v EAGLE (nebo ve skutečnosti jakákoli simulace)," řekl Callingham. "Abychom tomu pomohli, použijeme vztah měřítka hmotnosti k měřítku našeho celkového vzorku galaxií, aby byla stejná hmotnost." To nám umožňuje efektivněji využívat více z našeho datového souboru a výrazně zlepšit naše statistiky. Naše metoda byla poté přísně testována nalezením množství simulovaných galaxií ze simulací EAGLE a Auriga - nezávislé sady simulací s vysokým rozlišením. Tím je zajištěno, že náš odhad hmotnosti je robustní a má realistické chyby (něco, s čím se pole někdy kvůli analytickým předpokladům potýká). “
Z toho zjistili, že celková halo hmota Mléčné dráhy byla asi 1,04 x 1012 (přes 1 bilion) solárních hmot, s 20% chybou. Tento odhad způsobuje mnohem větší omezení hmotnosti Mléčné dráhy než předchozí odhady a mohl by mít některé významné důsledky v oblasti astronomie, astrofyziky a kosmologie. Jak Callingham shrnul:
„Přísnější odhad hmotnosti lze použít mnoha způsoby. Při modelování galaxií je DM halo pozadí, na které se vejdou hvězdné komponenty. Mnoho metod pro zkoumání povahy DM, jako je struktura DM halo, stejně jako hustota DM na Zemi pro účely přímé detekce závisí na hmotnosti MW. Hmotu lze také použít k předpovědi počtu satelitních galaxií kolem MW, které očekáváme. “
Kromě toho, že astronomům poskytujeme rafinovaná měření hmotnosti Mléčné dráhy - což povede k informování našeho chápání její velikosti, rozsahu a populace satelitní galaxie - má tato studie také důsledky pro naše pochopení vesmíru jako celku. A co víc, je to další průkopnická studie, která byla umožněna Gaia je druhé vydání dat.
Třetí vydání Gaia data by měla být zveřejněna na konci roku 2020, konečný katalog bude zveřejněn v roce 2020. Mezitím již bylo rozšíření pro EU schváleno Gaia mise, která nyní zůstane v provozu do konce roku 2020 (bude potvrzeno na konci tohoto roku).
