En ny teknik för att uppskatta massan av galaxer lovar mer tillförlitliga resultat, särskilt när de tillämpas på stora datamängder som genereras av nuvarande och framtida undersökningar, enligt ett forskargrupp som leds av Ekta Patel vid University of Arizona. Publicerad i Astrofysisk tidskrift , studien är den första som kombinerar de observerade fullständiga tredimensionella rörelserna för flera av Vintergatans satellitgalaxer med omfattande datasimuleringar för att få en uppskattning av hög noggrannhet för massan i vår hemgalax.

Att bestämma massan av galaxer spelar en avgörande roll för att upptäcka grundläggande mysterier om universums arkitektur. Enligt nuvarande kosmologiska modeller, en galax synliga materia, som stjärnor, gas och damm, står för bara 15 procent av dess massa. De återstående 85 procenten antas finnas i mörk materia, en mystisk komponent som aldrig har observerats och vars fysiska egenskaper förblir i stort sett okända. Den stora majoriteten av en galax massa (mestadels mörk materia) ligger i dess gloria, ett stort, omgivande region som innehåller få, om någon, stjärnor och vars form i stort sett är okänd.

I en allmänt accepterad kosmologisk modell, filament av mörk materia spänner över hela universum, ritar lysande ("vanlig") materia med dem. Där de skär varandra, gas och damm ackumuleras och sammanfaller till galaxer. Över miljarder år, små galaxer smälter samman till större, och när de växer i storlek och deras dragkraft når längre och längre ut i rymden, de lockar till sig en djurpark med andra små galaxer, som sedan blir satellitgalaxer. Deras banor bestäms av deras värdgalax, ungefär som solens tyngdkraft styr planeters och kroppars rörelse i solsystemet.

"Vi vet nu att universum expanderar, "säger Patel, en fjärdeårs doktorand vid UA:s avdelning för astronomi och Steward Observatory. "Men när två galaxer kommer tillräckligt nära, deras ömsesidiga attraktion är större än påverkan av det expanderande universum, så de börjar kretsa runt ett gemensamt centrum, som vårt Vintergatan och vår närmaste granne, Andromeda -galaxen. "

Även om Andromeda närmar sig Vintergatan med 110 kilometer per sekund, de två kommer inte att gå samman förrän om 4,5 miljarder år från och med nu. Enligt Patel, spårning av Andromedas rörelse är "motsvarande att se ett människohår växa på avstånd från månen."

Eftersom det är omöjligt att "väga" en galax helt enkelt genom att titta på den - mycket mindre när observatören råkar vara inne i den, som är fallet med vårt Vintergatan - forskare utläser en galaxmassa genom att studera rörelser av himmelska föremål när de dansar runt värdgalaxen, leds av sin dragkraft. Sådana föremål - även kallade spårämnen, eftersom de spårar massan av deras värdgalax - kan vara satellitgalaxer eller strömmar av stjärnor skapade från spridningen av tidigare galaxer som kom för nära för att förbli intakta.

Till skillnad från tidigare metoder som vanligtvis används för att uppskatta en galax massa, som att mäta spårarnas hastigheter och positioner, den metod som utvecklats av Patel och hennes medförfattare använder sin vinkelmoment, vilket ger mer tillförlitliga resultat eftersom det inte förändras med tiden. Vinkelmomentet för en kropp i rymden beror på både dess avstånd och hastighet. Eftersom satellitgalaxer tenderar att röra sig runt Vintergatan i elliptiska banor, deras hastigheter ökar när de kommer närmare vår galax och minskar när de kommer längre bort. Eftersom vinkelmomentet är produkten av både position och hastighet, det finns ingen nettoförändring oavsett om spåraren befinner sig närmast eller längst i sin bana.

"Tänk på en konståkare som gör en piruett, "Säger Patel." När hon drar i famnen, hon snurrar snabbare. Med andra ord, hennes hastighet förändras, men hennes vinkelmoment förblir densamma under hela hennes handling. "

Studien, som Patel presenterar på torsdagen, 7 juni kl. vid det 232:e mötet för American Astronomical Society i Denver, är den första att titta på de fullständiga tredimensionella rörelserna för nio av Vintergatans 50 kända satellitgalaxer på en gång och jämföra deras vinkelmomentmätningar med ett simulerat universum som innehåller totalt 20, 000 värdgalaxer som liknar vår egen galax. Tillsammans rymmer de simulerade galaxerna cirka 90, 000 satellitgalaxer.

Patels team fastnade för Vintergatans massa med 0,96 biljoner solmassor. Tidigare uppskattningar hade placerat vår galax massa mellan 700 miljarder och 2 biljoner solmassor. Resultaten förstärker också uppskattningar som tyder på att Andromeda -galaxen (M31) är mer massiv än vårt Vintergatan.

Författarna hoppas kunna tillämpa sin metod på de ständigt växande data när de blir tillgängliga genom nuvarande och framtida galaktiska undersökningar som Gaia rymdobservatorium och LSST, det stora synoptiska undersökningsteleskopet. Enligt medförfattaren Gurtina Besla, en biträdande professor i astronomi vid UA, begränsningar av Vintergatans massa kommer att förbättras när nya observationer erhålls som klockar hastigheten på fler satellitgalaxer, och eftersom nästa generations simuleringar ger högre upplösning, tillåter forskare att få bättre statistik för de minsta massspårarna, de så kallade extremt svaga galaxerna.

"Vår metod gör att vi kan dra nytta av mätningar av hastigheten på flera satellitgalaxer samtidigt för att få svar på vad teori om kall mörk materia skulle förutsäga för massan av Vintergatans halo på ett robust sätt, "Besla säger." Det är perfekt lämpat att dra nytta av den nuvarande snabba tillväxten i både observationsdatauppsättningar och numeriska funktioner. "