Een nieuwe techniek voor het schatten van de massa van sterrenstelsels belooft betrouwbaardere resultaten, vooral wanneer toegepast op grote datasets gegenereerd door huidige en toekomstige enquêtes, volgens een onderzoeksteam onder leiding van Ekta Patel aan de Universiteit van Arizona. Gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift , de studie is de eerste die de waargenomen volledige driedimensionale bewegingen van verschillende satellietstelsels van de Melkweg combineert met uitgebreide computersimulaties om een ​​zeer nauwkeurige schatting te verkrijgen voor de massa van ons eigen sterrenstelsel.

Het bepalen van de massa van sterrenstelsels speelt een cruciale rol bij het ontrafelen van fundamentele mysteries over de architectuur van het universum. Volgens de huidige kosmologische modellen, de zichtbare materie van een melkwegstelsel, zoals sterren, gas en stof, slechts 15 procent van zijn massa uitmaakt. De resterende 85 procent wordt verondersteld in donkere materie te zitten, een mysterieuze component die nooit is waargenomen en waarvan de fysieke eigenschappen grotendeels onbekend zijn. De overgrote meerderheid van de massa van een melkwegstelsel (voornamelijk donkere materie) bevindt zich in zijn halo, een enorme, omliggende regio met weinig, indien van toepassing, sterren en waarvan de vorm grotendeels onbekend is.

In een algemeen aanvaard kosmologisch model, filamenten van donkere materie omspannen het hele universum, lichtgevende ("gewone") materie met zich meetrekkend. Waar ze elkaar kruisen, gas en stof hopen zich op en smelten samen tot sterrenstelsels. Gedurende miljarden jaren, kleine sterrenstelsels versmelten tot grotere, en naarmate die groter worden en hun aantrekkingskracht steeds verder de ruimte in reikt, ze trekken een dierentuin van andere kleine sterrenstelsels aan, die vervolgens satellietstelsels worden. Hun banen worden bepaald door hun gaststelsel, net zoals de aantrekkingskracht van de zon de beweging van planeten en lichamen in het zonnestelsel stuurt.

"We weten nu dat het heelal uitdijt, " zegt Patel, een vierdejaars afgestudeerde student aan de UA's Department of Astronomy and Steward Observatory. "Maar als twee sterrenstelsels dichtbij genoeg komen, hun onderlinge aantrekkingskracht is groter dan de invloed van het uitdijende heelal, dus beginnen ze om elkaar heen te draaien rond een gemeenschappelijk centrum, zoals onze Melkweg en onze naaste buur, de Andromedanevel."

Hoewel Andromeda de Melkweg nadert met 110 kilometer per seconde, de twee zullen pas over 4,5 miljard jaar samensmelten. Volgens Patel, het volgen van de beweging van Andromeda is "gelijk aan het kijken naar een mensenhaar dat groeit op de afstand van de maan."

Omdat het onmogelijk is om een ​​melkwegstelsel te 'wegen' door er simpelweg naar te kijken - laat staan ​​als de waarnemer er toevallig in zit, zoals het geval is met onze Melkweg - onderzoekers leiden de massa van een melkwegstelsel af door de bewegingen van hemellichamen te bestuderen terwijl ze rond het gastmelkwegstelsel dansen, geleid door zijn aantrekkingskracht. Dergelijke objecten - ook wel tracers genoemd, omdat ze de massa van hun gastmelkwegstelsel volgen - het kunnen satellietstelsels zijn of sterrenstromen die zijn ontstaan ​​door de verstrooiing van voormalige sterrenstelsels die te dichtbij kwamen om intact te blijven.

In tegenstelling tot eerdere methoden die gewoonlijk worden gebruikt om de massa van een sterrenstelsel te schatten, zoals het meten van de snelheden en posities van de tracers, de door Patel en haar co-auteurs ontwikkelde aanpak maakt gebruik van hun impulsmoment, wat betrouwbaardere resultaten oplevert omdat het in de loop van de tijd niet verandert. Het impulsmoment van een lichaam in de ruimte hangt af van zowel de afstand als de snelheid. Aangezien satellietstelsels de neiging hebben om in elliptische banen rond de Melkweg te bewegen, hun snelheden nemen toe naarmate ze dichter bij ons melkwegstelsel komen en nemen af ​​naarmate ze verder weg komen. Omdat het impulsmoment het product is van zowel positie als snelheid, er is geen netto verandering, ongeacht of de tracer zich op zijn dichtste of verste positie in zijn baan bevindt.

"Denk aan een kunstschaatsster die een pirouette doet, "zegt Patel. "Terwijl ze haar armen intrekt, ze draait sneller. Met andere woorden, haar snelheid verandert, maar haar impulsmoment blijft hetzelfde gedurende de hele duur van haar act."

De studie, die Patel donderdag presenteert, 7 juni op de 232e bijeenkomst van de American Astronomical Society in Denver, is de eerste die de volledige driedimensionale bewegingen van negen van de 50 bekende satellietstelsels van de Melkweg tegelijk bekijkt en hun impulsmomentmetingen vergelijkt met een gesimuleerd universum met in totaal 20, 000 gaststerrenstelsels die lijken op onze eigen melkweg. Samen herbergen die gesimuleerde sterrenstelsels ongeveer 90, 000 satellietstelsels.

Het team van Patel heeft de massa van de Melkweg vastgesteld op 0,96 biljoen zonsmassa's. Eerdere schattingen hadden de massa van onze melkweg tussen 700 miljard en 2 biljoen zonsmassa's geplaatst. De resultaten versterken ook schattingen die suggereren dat het Andromedastelsel (M31) massiever is dan onze Melkweg.

De auteurs hopen hun methode toe te passen op de steeds groter wordende gegevens zodra deze beschikbaar komen door huidige en toekomstige galactische onderzoeken zoals het Gaia-ruimteobservatorium en LSST, de Grote Synoptische Onderzoekstelescoop. Volgens co-auteur Gurtina Besla, een assistent-professor sterrenkunde aan de UA, beperkingen op de massa van de Melkweg zullen verbeteren naarmate nieuwe waarnemingen worden verkregen die de snelheid van meer satellietstelsels klokken, en aangezien simulaties van de volgende generatie een hogere resolutie zullen bieden, waardoor wetenschappers betere statistieken kunnen krijgen voor de kleinste massatracers, de zogenaamde ultra-vage sterrenstelsels.

"Onze methode stelt ons in staat om te profiteren van metingen van de snelheid van meerdere satellietstelsels tegelijk om een ​​antwoord te krijgen op wat de theorie van koude donkere materie op een robuuste manier zou voorspellen voor de massa van de halo van de Melkweg, "Zegt Besla. "Het is perfect geschikt om te profiteren van de huidige snelle groei in zowel observationele datasets als numerieke mogelijkheden."