Seit der Geburt der modernen Astronomie haben Wissenschaftler versucht, das gesamte Ausmaß der Milchstraße zu bestimmen und mehr über ihre Struktur, Bildung und Entwicklung zu erfahren. Gegenwärtig schätzen Astronomen, dass es einen Durchmesser von 100.000 bis 180.000 Lichtjahren hat und aus 100 bis 400 Milliarden Sternen besteht - obwohl einige Schätzungen sagen, dass es bis zu 1 Billion geben könnte.
Und doch gibt es auch nach jahrzehntelanger Forschung und Beobachtung noch viel über unsere Galaxienastronomen, die nicht wissen. Zum Beispiel versuchen sie immer noch festzustellen, wie massiv die Milchstraße ist, und die Schätzungen variieren stark. In einer neuen Studie stellt ein Team internationaler Wissenschaftler eine neue Methode zum Wiegen der Galaxie vor, die auf der Dynamik der Satellitengalaxien der Milchstraße basiert.
Die Studie mit dem Titel „Die Masse der Milchstraße aus der Satellitendynamik“ erschien kürzlich in der Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society. Die Studie wurde von Thomas Callingham vom Institute of Computational Cosmology der University of Durham geleitet und umfasste Mitglieder des Massachusetts Institute of Technology (MIT), des Heidelberg Institute for Theoretical Studies und mehrerer Universitäten.
Wie sie in ihrer Studie zeigen, ist die Masse der Milchstraße für unser Verständnis der Astrophysik von grundlegender Bedeutung. Dies ist nicht nur wichtig, um unsere Galaxie in den Kontext der allgemeinen Galaxienpopulation zu stellen, sondern spielt auch eine wichtige Rolle bei der Lösung einiger der größten Rätsel, die sich aus unseren aktuellen astrophysikalischen und kosmologischen Theorien ergeben.
Dazu gehören die Feinheiten der Galaxienbildung, Diskrepanzen mit dem aktuellen Lambda CDM-Modell (Lambda Cold Dark Matter), alternative Theorien zur Natur der Dunklen Materie und die großräumige Struktur des Universums. Darüber hinaus wurden frühere Studien durch eine Reihe von Faktoren behindert, darunter die Tatsache, dass der Halo der dunklen Materie der Milchstraße (der den größten Teil ihrer Masse ausmacht) nicht direkt beobachtet werden kann.
Ein weiteres wichtiges Problem ist die Tatsache, dass es schwierig ist, das Ausmaß und die Masse der Milchstraße zu messen, weil wir uns darin befinden. Infolgedessen führten frühere Studien, die versucht haben, auf die Masse unserer Galaxie zu schließen, zu Massenschätzungen im Bereich von etwa 500 Milliarden bis 2,5 Billionen Mal der Masse unserer Sonne (Sonnenmassen). Wie Callingham dem Space Magazine per E-Mail erklärte, war ein verfeinerter Ansatz erforderlich:
„Der größte Teil der Galaxie befindet sich in ihrem Halo aus dunkler Materie, der nicht direkt beobachtet werden kann. Stattdessen schließen wir seine Eigenschaften durch Beobachtungen verschiedener dynamischer Tracer, die die Gravitationseffekte der dunklen Materie spüren - wie Sternpopulationen, Kugelhaufen, Dämpfe und Satellitengalaxien. Die meisten davon liegen im Zentrum unserer Galaxie in der galaktischen Scheibe (innerhalb von ~ 10 kpc) und im Sternhalo (~ 15 kpc), die gute Massenschätzungen der inneren Region liefern können. Der DM-Halo erreicht jedoch ~ 200 kpc. Aus diesem Grund haben wir uns auf Satellitengalaxien konzentriert, als einen der wenigen Tracer, die diese äußeren Teile der Galaxie untersuchen. “
Für ihre Studie stützte sich das Team auf Daten aus der zweiten Datenveröffentlichung des Gaia-Satelliten (DR2-Veröffentlichung), um die Masse der Milchstraße besser einschränken zu können. Die Gaia-Mission, die mehr Informationen als je zuvor über unsere Galaxie geliefert hat, umfasst die Position und die relativen Bewegungen unzähliger Sterne in der Milchstraße - einschließlich derer, die sich in Satellitengalaxien befinden. Wie Callingham angedeutet hat, erwies sich dies als sehr nützlich, um die Masse der Milchstraße einzuschränken:
„Wir vergleichen die Umlaufbahn-Eigenschaften Energie und Drehimpuls der MW-Satellitengalaxien mit denen, die in Simulationen gefunden wurden. Wir haben die neuesten Beobachtungen der MWs-Satelliten aus dem aktuellen Gaia DR2-Datensatz und eine Stichprobe geeigneter Galaxien und Satellitengalaxien aus den EAGLE-Simulationen verwendet. Diese führende Simulation wurde in Durham mit großem Volumen und vollständiger hydrodynamischer baryonischer Physik durchgeführt. “
Die EAGLE-Software (Evolution und Assemblierung von GaLaxies und ihren Umgebungen), die vom Institut für Computational Cosmology der Durham University entwickelt wurde, modelliert die Bildung von Strukturen in einem kosmologischen Volumen von 100 Megaparsec auf einer Seite (über 300 Millionen Lichtjahre). Die Verwendung dieser Software, um auf die Masse der Milchstraße zu schließen, war jedoch mit einigen Herausforderungen verbunden.
"Eine Herausforderung hierfür ist die begrenzte Stichprobe von Galaxien mit MW-Größe in EAGLE (oder einer beliebigen Simulation)", sagte Callingham. „Um dies zu unterstützen, verwenden wir eine Massenskalierungsbeziehung, um unsere gesamte Galaxienprobe auf die gleiche Masse zu skalieren. Dies ermöglicht es uns, mehr aus unserem Datensatz effektiv zu nutzen und unsere Statistiken erheblich zu verbessern. Unsere Methode wurde dann rigoros getestet, indem die Masse der simulierten Galaxien aus EAGLE- und den Auriga-Simulationen ermittelt wurde - eine unabhängige Suite hochauflösender Simulationen. Dies stellt sicher, dass unsere Massenschätzung robust ist und realistische Fehler aufweist (etwas, mit dem das Feld aufgrund analytischer Annahmen manchmal zu kämpfen hat). “
Daraus ergaben sie, dass die gesamte Halomasse der Milchstraße etwa 1,04 x 10 betrug12 (über 1 Billion) Sonnenmassen mit einer Fehlerquote von 20%. Diese Schätzung schränkt die Masse der Milchstraße viel stärker ein als frühere Schätzungen und könnte einige bedeutende Auswirkungen auf die Bereiche Astronomie, Astrophysik und Kosmologie haben. Wie Callingham zusammenfasste:
„Eine engere Massenschätzung kann auf viele Arten verwendet werden. Bei der Galaxienmodellierung ist der DM-Halo der Hintergrund, auf den Sternkomponenten passen. Viele Methoden zur Untersuchung der Natur von DM, wie die Struktur des DM-Halos sowie die Dichte von DM auf der Erde für direkte Detektionszwecke, hängen von der Masse des MW ab. Die Masse kann auch verwendet werden, um die Anzahl der erwarteten Satellitengalaxien um das MW vorherzusagen. “
Diese Studie liefert Astronomen nicht nur verfeinerte Messungen der Masse der Milchstraße, die einen großen Beitrag zum Verständnis ihrer Größe, Ausdehnung und Population von Satellitengalaxien leisten, sondern hat auch Auswirkungen auf unser Verständnis des gesamten Universums. Darüber hinaus ist es eine weitere bahnbrechende Studie, die durch ermöglicht wurde Gaias zweite Datenfreigabe.
Die dritte Veröffentlichung von Gaia Die Daten sollen Ende 2020 vorliegen. Der endgültige Katalog wird in den 2020er Jahren veröffentlicht. Inzwischen wurde bereits eine Verlängerung für die genehmigt Gaia Mission, die nun bis Ende 2020 in Betrieb bleibt (noch zu bestätigen Ende dieses Jahres).
