Jaká je hmotnost Mléčné dráhy?

Jaka Je Hmotnost Mlecne Drahy

Na astronomii je zvláštní to, že jednou z nejtěžších věcí na pochopení celého vesmíru je galaxie Mléčná dráha.

Je to jako vědět hodně o svém okolí, nedalekém městě a dokonce i o svém stavu, ale ve skutečnosti toho moc o svém domě nevíte.



Abych byl spravedlivý, je to jako snažit se porozumět svému domu, ale nedovolit mu opustit skříň. Jsme uvnitř Mléčné dráhy, uvízli asi v polovině vzdálenosti od centra a vše, co se o ní dozvíme, se učíme právě zde. Dobrou zprávou je, že my lidé jsme opravdu velmi chytří.

Vynalezli jsme dalekohledy! A přišli jsme na to, jak galaxii pozorovat různými způsoby, a zjistili jsme, že je to plochý disk se spirálními rameny, obklopující mohutnou sféru hvězd, obklopující jádro s obrovskou velkou černou dírou uprostřed. Celé to také obklopuje halo hvězd. Máme dokonce slušná čísla o tom, jak velké jsou jednotlivé komponenty, a dokonce i hmotnost většiny z nich.

Většina ... ale ne Všechno . Disk, vyboulení a jádro jsou vyrobeny z toho, čemu říkáme normální hmota, atomů a elektronů a protonů a neutronů a podobných věcí. V průběhu let jsme byli schopni určit hmotnost těchto složek, většinou proto, že je můžeme vidět a měřit.

Ale to svatozář je problém. Má v sobě i normální hmotu, většinou ve formě hvězd, ale faktem je, že většinu tvoří temná hmota „věci, které nevidíme, a můžeme je pouze usuzovat.

Dobrou zprávou je, že temná hmota je stále hmota, a to znamená, že ano Hmotnost , a že znamená, že má gravitaci. A to znamená (možná jich mám příliš mnoho, což znamená hluboko, ale to je poslední), můžeme určit jeho hmotnost tím, jak jeho gravitace ovlivňuje další věci uvnitř.

A uvnitř halo vidíme věci, konkrétně kulové hvězdokupy. Spojením dat z Hubbleova kosmického dalekohledu s novými měřeními pomocí fenomenální observatoře Gaia, astronomové nyní zjistili hmotnost halo Mléčné dráhy : Je 1,54 bilion hmota Slunce.

To je hodně. Je to velká galaxie! Ale zábava je in jak to udělali .

Nejaktuálnější mapa Mléčné dráhy je zobrazena jako umělec. Slunce je přímo pod galaktickým centrem, poblíž Orion Spur. Ramena Scutum-Centaurus se táhnou doprava a výše a jdou za středem na vzdálenější stranu.Přiblížit

Nejaktuálnější mapa Mléčné dráhy je zobrazena jako umělec. Slunce je přímo pod galaktickým centrem, poblíž Orion Spur. Ramena Scutum-Centaurus se táhnou doprava a výše a jdou za středem na vzdálenější stranu. Pozorovaný maser je téměř přímo naproti Slunci od středu v rameni S-C, vzdáleném 65 000 světelných let. Kredit: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech)

Příklad: V naší sluneční soustavě je drtivě největší hmotou Slunce. Pokud změříte, jak rychle planeta obíhá kolem Slunce, v kombinaci s její vzdáleností, můžete určit hmotnost Slunce (protože oběžná rychlost planety je dána gravitací Slunce, která závisí na její hmotnosti).

Složitější je to pro galaxii, kde je hmota více rozložená, ale princip je stejný. Isaac Newton ukázal, že gravitace, kterou cítíte z předmětu, je celková hmotnost mezi ty a to. Nezáleží na tom, zda je Slunce malým bodem nebo vyplňuje oběžnou dráhu planety, gravitace, kterou planeta cítí, je stejná. Na hmotném nitru oběžné dráhy planety záleží.

Takže to platí pro Mléčnou dráhu. Pokud chcete získat hmotnost Mléčné dráhy, musíte si všimnout nějakého velmi vzdáleného obíhajícího objektu, poté změřit jeho rychlost kolem galaxie a vypočítat veškerou galaktickou hmotnost uvnitř jeho oběžné dráhy. To je docela těžké, protože objekt vzdálený desítky tisíc světelných let může křičet prostorem, ale je tak daleko, že zdánlivý pohyb je malý.

Ale: Máme opravdu dobré dalekohledy. A ten pohyb se někdy dá změřit.

Velkolepá kulová hvězdokupa NGC 1466. Kredit: ESA/Hubble & NASAPřiblížit

Velkolepá kulová hvězdokupa NGC 1466. Kredit: ESA / HST a NASA

Vstupte kulové hvězdokupy . Jedná se o sbírky stovek tisíc nebo milionů hvězd držených pohromadě vlastní gravitací a vypadají jako jiskřivé včely kroužící kolem úlu. Mléčná dráha má nejméně 157 těchto kup, všechny obíhají kolem galaktického centra. Mnoho z nich je blízko, a tak se moc nepoužívají k získání hmotnosti galaxie (čím vzdálenější, tím více je oběžná dráha uzavřena, tím lépe), ale řada z nich je opravdu velmi daleko.

Observatoř Evropské vesmírné agentury Gaia byla navržena tak, aby se podívala na více než miliardu hvězd v naší galaxii a určila jejich polohu, barvy a pohyb. Nediskriminuje; dívá se na každou hvězdu, kterou může, a mnoho z nich je v kuličkách. To znamená, že máme pohyb po obloze mnoha z těchto klastrů. V kombinaci s pečlivým měřením jejich světla aby získali jejich Dopplerovu směnu , což nám dává trojrozměrnou rychlost těchto klastrů!

Animovaný obrázek ukazující pohyb kulové hvězdokupy NGC 5466 (vlevo) pozorovaný Hubbleovým vesmírným teleskopem více než deset let. Detail (vpravo) ukazuje hvězdy pohybující se jako skupina s mnohem vzdálenějšími galaxiemi v pozadí, které vypadají nehybně.Přiblížit

Animovaný obrázek ukazující pohyb kulové hvězdokupy NGC 5466 (vlevo) pozorovaný Hubbleovým vesmírným teleskopem více než deset let. Detail (vpravo) ukazuje hvězdy pohybující se jako skupina s mnohem vzdálenějšími galaxiemi v pozadí, které vypadají nehybně. Kredit: NASA, ESA a S.T. Sohn a J. DePasquale (STScI)

Astronomové, kteří dělali tuto práci, použili 34 takových kup ze 75 měřených Gaií, které odpovídaly tomu, co potřebovali, a pohybovaly se ve vzdálenosti od 6500 do téměř 70 000 světelných let daleko od galaktického centra. Udělali to také s klastry ještě dále (až téměř 130 000 světelných let) měřenými pomocí HST. To jim přidalo dalších 16.

Byli schopni získat vše, co potřebovali k vypracování hmotnosti galaxie. Stále to však není snadné! Například vnitřní kupy, které Gaia viděla, byly početnější, a tak s nimi získaly lepší statistiky, ale nejsou tak daleko, aby získaly celkovou hmotnost galaxie; galaktický halo se rozprostírá kolem nich a oni s nimi nemohou změřit jeho hmotnost. Hubbleovy klastry pomohly, ale bylo jich méně, takže statistiky byly trochu hnusnější (i když pomocí různých dvou populací klastrů získaly různé odhady celkové hmotnosti, tato dvě čísla byla ve vzájemné statistické nejistotě, což znamená, že jsou statisticky nerozeznatelné).

Simulace galaxie Mléčné dráhy obklopené kulovými hvězdokupami pomocí skutečných pozičních dat. Kredit: ESA / Hubble, NASA, L. Road, M.Kormesser

Nakonec museli extrapolovat mimo tyto shluky vzhledem k tomu, co víme o tvaru a velikosti svatozáře, ale čísla, která dostali, byla opět konzistentní. Abych byl spravedlivý, dostali 1,54 bilionkrát větší hmotnost Slunce, s nejistotou +0,75 bilionu a -0,44 bilionu ... takže to může být cokoli mezi 0,79 a 2,29 bilionu.

Tím se Mléčná dráha řadí mezi velké galaxie ve vesmíru (což jsme znali). Mnoho z nich je větších, ale většina je mnohem menších.

Tak proč to dělat? Záleží na tom, jaká je naše celková hmotnost?

Ano! Například hmotnost naší galaxie je důležitá pro pochopení satelitů, které ji obíhají. Existuje nějaký spor ohledně chování dvou největších, Velkého a Malého Magellanova mraku. Srazí se nakonec? Skutečně nás obíhají kolem nebo jen procházejí kolem? Naše hmota v tom hraje svou roli.

Ilustrace vraku kosmického vlaku: kolize galaxie Mléčná dráha/Andromeda, za čtyři miliardy let. Uznání: NASA, ESA, Z. Levay and R. van der Marel (STScI), T. Hallas, and A. MellingerPřiblížit

Ilustrace vraku kosmického vlaku: kolize galaxie Mléčná dráha/Andromeda, za čtyři miliardy let. Kredit: NASA, ESA, Z. Levay a R. van der Marel (STScI), T. Hallas a A. Mellinger

Nakonec se galaxie Andromeda srazí s námi ( asi za 4,6 miliardy let ). Jak se to stane, závisí hodně na naší hmotnosti. Hromadné stanovení Mléčné dráhy nám také říká o struktuře naší galaxie a dokonce o tom, jak hraje ve struktuře vesmíru ve větším měřítku. A také nám jednoduše říká, je naše galaxie typická? Jsme v některých ohledech jako jiné galaxie, v jiných odlišní? Naše místní prostředí používáme jako šablonu, abychom pochopili, co leží za námi - ať už je to náš dům v sousedství stovek dalších nebo naše galaxie mezi biliony.

Je to trochu farní, určitě, ale je to dobré místo, kde začít. A jak jsme znovu a znovu zjišťovali, Vesmír má způsob, jak upravit náš počáteční pohled, zmenšit naše předsudky a posílit naše ocenění rozmanitosti v kosmu.

Vždy jsem měl pocit, že i přes chladné a bezcitné chování vesmíru jako celku je to hluboká lekce, kterou mohu použít ve svém životě. Možná můžete také.