Sedan modern astronomis födelse, forskare har försökt fastställa Vintergatans fulla omfattning och lära sig mer om dess struktur, bildning och evolution. För närvarande, astronomer uppskattar att det är 100, 000 till 180, 000 ljusår i diameter och består av 100 till 400 miljarder stjärnor – även om vissa uppskattningar säger att det kan finnas så många som 1 biljon.

Och ändå, även efter årtionden av forskning och observationer, det finns fortfarande mycket om vår galax som astronomer inte vet. Till exempel, de försöker fortfarande avgöra hur massiv Vintergatan är, och uppskattningarna varierar kraftigt. I en ny studie, ett team av internationella forskare presenterar en ny metod för att väga galaxen baserad på dynamiken i Vintergatans satellitgalaxer.

Studien, med titeln "Vintergatans massa från satellitdynamik, " dök nyligen upp i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society . Studien leddes av Thomas Callingham från University of Durhams Institute of Computational Cosmology, och inkluderade medlemmar från Massachusetts Institute of Technology (MIT), Heidelberginstitutet för teoretiska studier, och flera universitet.

Som de anger i sin studie, Vintergatans massa är grundläggande för vår förståelse av astrofysik. Det är inte bara viktigt när det gäller att placera vår galax i kontexten av den allmänna galaxpopulationen, men det spelar också en stor roll när vi tar upp några av de största mysterierna som uppstår från våra nuvarande astrofysiska och kosmologiska teorier.

Dessa inkluderar krångligheterna med galaxbildning, avvikelser med den nuvarande modellen Lambda Cold Dark Matter (Lambda CDM), alternativa teorier om mörk materias natur, och universums storskaliga struktur. Vad mer, tidigare studier har hämmats av ett antal faktorer, som inkluderar det faktum att Vintergatans mörka materia halo (som utgör det mesta av dess massa) inte kan observeras direkt.

En annan stor fråga är det faktum att det är svårt att mäta Vintergatans omfattning och massa eftersom vi är inom den. Som ett resultat, Tidigare studier som har försökt härleda massan av vår galax resulterade i massuppskattningar som sträcker sig från cirka 500 miljarder till 2,5 biljoner gånger massan av vår sol (solmassorna). Som Callingham förklarade för Universum Today via e-post, ett förfinat tillvägagångssätt behövdes:

"Majoriteten av galaxen är i sin mörka materiahalo, som inte direkt kan observeras. Istället, vi härleder dess egenskaper genom observationer av olika dynamiska spårämnen som känner gravitationseffekterna av mörk materia – såsom stjärnpopulationer, klotformiga hopar, ångor och satellitgalaxer. De flesta av dessa ligger i mitten av vår galax i den galaktiska skivan (inom ~10kpc) och stjärnhalon (~15kpc) vilket kan ge bra massuppskattningar av den inre regionen. Men DM-halon når ~200kpc, och av denna anledning valde vi att fokusera på satellitgalaxer, som ett av de enda spårämnena som undersöker dessa yttre delar av galaxen."

För deras studiers skull, teamet förlitade sig på data från Gaia-satellitens andra datautgåva (DR2-release) för att sätta bättre begränsningar på Vintergatans massa. Gaia-uppdraget, som har gett mer information än någonsin tidigare om vår galax, inkluderar positionen och relativa rörelser för otaliga stjärnor i Vintergatan – inklusive de som finns i satellitgalaxer. Som Callingham antydde, detta visade sig vara mycket användbart för att begränsa Vintergatans massa:

"Vi jämför orbitalegenskaperna Energy and Angular Momentum för MWs satellitgalaxer med de som finns i simuleringar. Vi använde de senaste observationerna av MWs satelliter från den senaste Gaia DR2-datauppsättningen och ett urval av lämpliga galaxer och satellitgalaxer från EAGLE-simuleringarna, en ledande simulering körde i Durham med en stor volym och full hydrodynamisk baryonisk fysik."

EAGLE-mjukvaran (Evolution and Assembly of Galaxies and their Environments), som utvecklades av Durham Universitys Institute of Computational Cosmology, modellerar bildandet av strukturer i en kosmologisk volym som mäter 100 Megaparsec på en sida (över 300 miljoner ljusår). Dock, att använda denna programvara för att sluta sig till Vintergatans massa innebar några utmaningar.

"En utmaning för detta är det begränsade urvalet av galaxer i MW-storlek i EAGLE (eller faktiskt vilken simulering som helst), ", sa Callingham. "För att hjälpa detta använder vi en massskalningsrelation för att skala vårt totala prov av galaxer till samma massa. Detta gör att vi effektivt kan använda mer från vår datauppsättning och förbättrar vår statistik avsevärt. Vår metod testades sedan noggrant genom att hitta massan av simulerade galaxer från EAGLE och Auriga-simuleringarna – en oberoende svit av högupplösta simuleringar. Detta säkerställer att vår massuppskattning är robust och har realistiska fel (något fältet ibland kämpar med på grund av analytiska antaganden)."

Från detta, de fann att Vintergatans totala halomassa var cirka 1,04 x 1012 (över 1 biljon) solmassor, med 20 procents felmarginal. Denna uppskattning sätter mycket snävare begränsningar för Vintergatans massa än tidigare uppskattningar, och kan ha några betydande implikationer inom astronomi, astrofysik och kosmologi. Som Callingham sammanfattade:

"En snävare massuppskattning kan användas på många sätt. I galaxmodellering, DM-halo är bakgrunden på vilken stjärnkomponenter passar. Många metoder för att undersöka arten av DM, såsom strukturen av DM-halon, såväl som tätheten av DM på jorden för direkt detekteringsändamål beror på massan av MW. Massan kan också användas för att förutsäga antalet satellitgalaxer runt den MW som vi förväntar oss."

In addition to providing astronomers with refined measurements of the Milky Way's mass – which will go a long way towards informing our understanding of its size, extent, and satellite galaxy population – this study also has implications for our understanding of the universe as a whole. Vad mer, it is yet another groundbreaking study that was made possible through Gaia's second data release.

The third release of Gaia data is scheduled to take place in late 2020, with the final catalog being published in the 2020s. Under tiden, an extension has already been approved for the Gaia mission, which will now remain in operation until the end of 2020 (to be confirmed at the end of this year).