Sinds de geboorte van de moderne astronomie, wetenschappers hebben geprobeerd de volledige omvang van het Melkwegstelsel te bepalen en meer te weten te komen over de structuur ervan, vorming en evolutie. Momenteel, astronomen schatten dat het 100 is, 000 tot 180, 000 lichtjaar in diameter en bestaat uit 100 tot 400 miljard sterren - hoewel sommige schattingen zeggen dat er maar liefst 1 biljoen zouden kunnen zijn.

En toch, zelfs na tientallen jaren van onderzoek en observaties, er is nog steeds veel over ons sterrenstelsel dat astronomen niet weten. Bijvoorbeeld, ze proberen nog steeds te bepalen hoe massief de Melkweg is, en schattingen lopen sterk uiteen. In een nieuwe studie, een team van internationale wetenschappers presenteert een nieuwe methode voor het wegen van de melkweg op basis van de dynamiek van de satellieten van de Melkweg.

De studie, getiteld "De massa van de Melkweg uit satellietdynamica, " verscheen onlangs in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society . De studie werd geleid door Thomas Callingham van het Institute of Computational Cosmology van de Universiteit van Durham, en omvatte leden van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), het Heidelberg Instituut voor Theoretische Studies, en meerdere universiteiten.

Zoals ze in hun onderzoek aangeven, de massa van de Melkweg is fundamenteel voor ons begrip van astrofysica. Het is niet alleen belangrijk om onze melkweg in de context van de algemene melkwegpopulatie te plaatsen, maar het speelt ook een belangrijke rol bij het aanpakken van enkele van de grootste mysteries die voortkomen uit onze huidige astrofysische en kosmologische theorieën.

Deze omvatten de fijne kneepjes van de vorming van sterrenstelsels, discrepanties met het huidige Lambda Cold Dark Matter (Lambda CDM) model, alternatieve theorieën over de aard van donkere materie, en de grootschalige structuur van het universum. Bovendien, eerdere studies werden gehinderd door een aantal factoren, waaronder het feit dat de halo van de donkere materie van de Melkweg (die het grootste deel van zijn massa uitmaakt) niet direct kan worden waargenomen.

Een ander groot probleem is het feit dat het moeilijk is om de omvang en massa van de Melkweg te meten, omdat we ons erin bevinden. Als resultaat, eerdere studies die probeerden de massa van onze melkweg af te leiden, resulteerden in massaschattingen variërend van ongeveer 500 miljard tot 2,5 biljoen keer de massa van onze zon (zonnemassa's). Zoals Callingham via e-mail aan universe Today heeft uitgelegd, verfijnde aanpak nodig:

"Het grootste deel van de melkweg bevindt zich in de halo van donkere materie, die niet direct kunnen worden waargenomen. In plaats daarvan, we leiden de eigenschappen ervan af door observaties van verschillende dynamische tracers die de zwaartekrachtseffecten van de donkere materie voelen - zoals stellaire populaties, bolvormige sterrenhopen, stoom en satellietstelsels. De meeste hiervan bevinden zich in het centrum van een ons melkwegstelsel in de galactische schijf (binnen ~10kpc) en de stellaire halo (~15kpc) die goede massaschattingen van het binnenste gebied kunnen geven. De DM-halo bereikt echter ~200kpc, en om deze reden hebben we ervoor gekozen om ons te concentreren op satellietstelsels, als een van de weinige tracers die deze buitenste delen van de melkweg onderzoeken."

Ter wille van hun studie, het team vertrouwde op gegevens van de tweede gegevensrelease van de Gaia-satelliet (DR2-release) om de massa van de Melkweg beter te beperken. De Gaia-missie, die meer informatie dan ooit tevoren over onze melkweg heeft opgeleverd, omvat de positie en relatieve bewegingen van talloze sterren in de Melkweg - inclusief die in satellietstelsels. Zoals Callingham aangaf, dit bleek erg handig voor het beperken van de massa van de Melkweg:

"We vergelijken de orbitale eigenschappen Energie en Hoekmomentum van de MWs-satellietstelsels met die gevonden in simulaties. We gebruikten de nieuwste waarnemingen van de MWs-satellieten uit de recente Gaia DR2-dataset en een steekproef van geschikte sterrenstelsels en satellietstelsels uit de EAGLE-simulaties, een toonaangevende simulatie liep in Durham met een groot volume en volledige hydrodynamische baryonische fysica."

De EAGLE-software (Evolution and Assembly of GaLaxies en hun omgevingen), die werd ontwikkeld door Durham University's Institute of Computational Cosmology, modelleert de vorming van structuren in een kosmologisch volume van 100 Megaparsecs aan een kant (meer dan 300 miljoen lichtjaar). Echter, het gebruik van deze software om de massa van de Melkweg af te leiden bracht enkele uitdagingen met zich mee.

"Een uitdaging hiervoor is de beperkte steekproef van MW-sterrenstelsels in EAGLE (of elke simulatie), " zei Callingham. "Om dit te helpen gebruiken we een massaschaalrelatie om onze totale steekproef van sterrenstelsels te schalen om dezelfde massa te hebben. Dit stelt ons in staat om effectief meer uit onze dataset te gebruiken en verbetert onze statistieken aanzienlijk. Onze methode werd vervolgens rigoureus getest door de massa gesimuleerde sterrenstelsels van EAGLE en de Auriga-simulaties te vinden - een onafhankelijke reeks simulaties met hoge resolutie. Dit zorgt ervoor dat onze massaschatting robuust is en realistische fouten bevat (iets waar het veld soms mee worstelt vanwege analytische aannames)."

Van dit, ze ontdekten dat de totale halomassa van de Melkweg ongeveer 1,04 x 1012 (meer dan 1 biljoen) zonsmassa's was, met een foutmarge van 20 procent. Deze schatting legt veel strengere beperkingen op aan de massa van de Melkweg dan eerdere schattingen, en kan enkele belangrijke implicaties hebben op het gebied van astronomie, astrofysica en kosmologie. Zoals Callingham samenvatte:

"Een strakkere schatting van de massa kan op veel manieren worden gebruikt. Bij het modelleren van sterrenstelsels, de DM-halo is de achtergrond waarop stellaire componenten passen. Veel methoden om de aard van DM te onderzoeken, zoals de structuur van de DM-halo, evenals de dichtheid van DM op aarde voor directe detectiedoeleinden zijn afhankelijk van de massa van de MW. De massa kan ook worden gebruikt om het aantal satellietstelsels rond de MW te voorspellen dat we verwachten."

Naast het verstrekken van verfijnde metingen van de massa van de Melkweg aan astronomen - wat een grote bijdrage zal leveren aan ons begrip van de grootte ervan, mate waarin, en de populatie van satellietstelsels - deze studie heeft ook implicaties voor ons begrip van het universum als geheel. Bovendien, het is weer een baanbrekende studie die mogelijk werd gemaakt door Gaia's tweede gegevensrelease.

De derde release van Gaia-gegevens staat gepland voor eind 2020, met de definitieve catalogus die in de jaren 2020 wordt gepubliceerd. In de tussentijd, er is al een verlenging goedgekeurd voor de Gaia-missie, die nu in bedrijf zal blijven tot eind 2020 (wordt eind dit jaar bevestigd).