מאז לידתה של האסטרונומיה המודרנית, מדענים ניסו לקבוע את מלוא היקף הגלקסיה של שביל החלב וללמוד עוד על מבנה, היווצרותה והתפתחותה. נכון לעכשיו, האסטרונומים מעריכים כי קוטרו 100,000 עד 180,000 שנות אור ומורכב מ 100 עד 400 מיליארד כוכבים - אם כי, לפי הערכות, יכולים להיות טריליון טרום.
ובכל זאת, גם אחרי עשרות שנים של מחקר ותצפיות, עדיין יש הרבה דברים על האסטרונומים הגלקסיים שלנו שלא יודעים. לדוגמה, הם עדיין מנסים לקבוע עד כמה מסיבית שביל החלב, וההערכות משתנות מאוד. במחקר חדש, צוות מדענים בינלאומי מציג שיטה חדשה לשקילת הגלקסיה על בסיס הדינמיקה של גלקסיות הלוויינים של שביל החלב.
המחקר, שכותרתו "המסה של שביל החלב מהדינמיקה הלוויינית", הופיע לאחרונה ב- הודעות חודשיות של החברה המלכותית לאסטרונומיה. המחקר הובל על ידי תומאס קלינגהם מהמכון לקוסמולוגיה חישובית באוניברסיטת דורהאם, וכלל חברים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), מכון היידלברג ללימודים תיאורטיים ואוניברסיטאות מרובות.
כפי שהם מצביעים במחקרם, מסת שביל החלב חיונית להבנתנו באסטרופיזיקה. לא רק שהיא חשובה מבחינת הצבת הגלקסיה שלנו בהקשר של אוכלוסיית הגלקסיה הכללית, אלא שהיא גם ממלאת תפקיד מרכזי כשמדובר בכמה מהתעלומות הגדולות שעולות מהתאוריות האסטרופיסיות והקוסמולוגיות הנוכחיות שלנו.
אלה כוללים את המורכבויות של היווצרות הגלקסיות, אי-התאמות במודל הנוכחי של Lambda Cold Dark Matter (Lambda CDM), תיאוריות אלטרנטיביות לגבי אופי החומר האפל, והמבנה הגדול בקנה מידה של היקום. יתרה מזאת, מחקרים קודמים הוקשו על ידי מספר גורמים, הכוללים את העובדה שלא ניתן לצפות ישירות בהילה של החומר האפל של שביל החלב (המהווה את מרבית המסה שלו).
סוגיה מרכזית נוספת היא העובדה שקשה למדוד את היקף ומסה שביל החלב מכיוון שאנו נמצאים בתוכו. כתוצאה מכך, מחקרים קודמים שניסו להסיק את מסת הגלקסיה שלנו הביאו לאומדנים המוניים שנעו בין 500 מיליארד ל -2.5 טריליון פעמים המסה של השמש שלנו (המוני שמש). כפי שהסביר Callingham למגזין Space באמצעות דוא"ל, היה צורך בגישה מעודנת:
"רוב הגלקסיה נמצאת בהילה החומר האפל שלה, שלא ניתן לצפות בה ישירות. במקום זאת, אנו מסיקים את תכונותיו באמצעות תצפיות על עוקבים דינמיים שונים המרגישים את השפעות הכבידה של החומר האפל - כמו אוכלוסיות מהממים, אשכולות כדוריות, אדים וגלקסיות לוויין. רוב אלה שוכנים במרכז הגלקסיה שלנו בדיסק הגלקסי (בתוך ~ 10 ק"פ) והילה הכוכבית (~ 15 ק"פ) שיכולים לתת הערכות מסה טובות של האזור הפנימי. עם זאת, הילת DM מגיעה ל ~ 200 ק"פ, ומסיבה זו בחרנו להתמקד בגלקסיות לוויין, כאחד העקבות היחידים הבודקים את החלקים החיצוניים האלה של הגלקסיה. "
לצורך המחקר, הצוות הסתמך על נתונים משחרור הנתונים השני של לוויין גאיה (שחרור DR2) בכדי להציב אילוצים טובים יותר על המסה של שביל החלב. משימת גאיה, שסיפקה מידע רב מאי פעם על הגלקסיה שלנו, כוללת את המיקום והתנועות היחסיות של אינספור כוכבים בדרך החלב - כולל אלה שנמצאים בגלקסיות לוויין. כפי שציין קלינגהאם, הדבר הוכיח מאוד מועיל להגבלת מסת שביל החלב:
"אנו משווים את המאפיינים המסלוליים אנרגיה ותנופה זוויתית של גלקסיות הלוויין של MW לאלה שנמצאים בהדמיות. השתמשנו בתצפיות האחרונות של לווייני ה- MWs ממסד הנתונים האחרון של גאיה DR2 ומדגם של גלקסיות גלקסיות מתאימות מהדמיות EAGLE, סימולציה מובילה שהוצגה בדורהאם עם נפח גדול ופיזיקה בריונית הידרודינמית מלאה. "
תוכנת EAGLE (אבולוציה והרכבה של GaLaxies וסביבותיהם), אשר פותחה על ידי המכון לקוסמולוגיה חישובית של אוניברסיטת דוראם, מדגמת את היווצרותם של מבנים בנפח קוסמולוגי העומד על 100 מגה-פרק בצד (למעלה מ -300 מיליון שנות אור). עם זאת, השימוש בתוכנה זו כדי להסיק את מסת שביל החלב הציב כמה אתגרים.
"אתגר לכך הוא הדגימה המוגבלת של גלקסיות בגודל MW ב EAGLE (או אכן סימולציה כלשהי)," אמרה קלינגהאם. "כדי לסייע בכך אנו משתמשים ביחס לגודל המוני בכדי לשנות את גודל המדגם הכולל של הגלקסיות לאותה מסה. זה מאפשר לנו להשתמש ביעילות יותר מתוך מערך הנתונים שלנו ומשפר מאוד את הסטטיסטיקה שלנו. לאחר מכן נבדקה השיטה שלנו בקפדנות על ידי מציאת המסה של גלקסיות מדומות מ- EAGLE והדמיות Auriga - חבילה עצמאית של הדמיות ברזולוציה גבוהה. זה מבטיח שההערכה המונית שלנו היא חזקה ויש לה שגיאות ריאליות (משהו שהתחום מתמודד איתו לפעמים בגלל הנחות אנליטיות). "
מכאן, הם מצאו כי מסת ההילה הכוללת של שביל החלב הייתה בערך 1.04 על 1012 (מעל טריליון) המוני שמש, עם מרווח שגיאה של 20%. הערכה זו מציבה אילוצים הדוקים בהרבה על מסה של שביל החלב לעומת הערכות קודמות ויכולה להיות בעלת השלכות משמעותיות על תחומי האסטרונומיה, האסטרופיזיקה והקוסמולוגיה. כפי שקידם קלינגהם:
"ניתן להשתמש באומדן המוני חזק יותר במובנים רבים. בדוגמנות גלקסיות, הילת DM היא הרקע שעליו מתאימים רכיבים מהממים. שיטות רבות לחקור את אופיו של DM, כמו מבנה ההילה DM, כמו גם את הצפיפות של DM בכדור הארץ למטרות גילוי ישיר תלויות במסה של ה- MW. ניתן להשתמש במסה גם כדי לחזות את מספר גלקסיות הלוויין סביב MW שאנו מצפים. "
בנוסף למתן לאסטרונומים מדידות מעודנות של מסת החלב - שתעבור דרך ארוכה כדי להודיע על הבנתנו את גודלו, היקפו ואוכלוסיית גלקסיות הלוויין - למחקר זה יש השלכות גם על הבנתנו את היקום בכללותו. מה שכן, זהו עוד מחקר פורץ דרך שהתאפשר באמצעותו גאיה שחרור נתונים שני.
המהדורה השלישית של גאיה הנתונים אמורים להתקיים בסוף 2020, כאשר הקטלוג הסופי יפורסם בשנות העשרים. בינתיים, כבר אושרה הרחבה לקבוצה גאיה המשימה שתישאר כעת בפעולה עד סוף 2020 (שתאושר בסוף השנה).
