gov-civil-vilareal.ptWelche Masse hat die Milchstraße?
>Eine seltsame Sache an der Astronomie ist, dass die Milchstraße eines der am schwersten zu verstehenden Dinge im gesamten Universum ist.
Es ist, als ob Sie viel über Ihre Nachbarschaft, die nahegelegene Stadt und sogar Ihren Staat wissen, aber nicht wirklich viel über Ihr eigenes Haus wissen.
Um fair zu sein, ist es, als würde man versuchen, Ihr Haus zu verstehen, aber Ihren Schrank nicht verlassen zu dürfen. Wir befinden uns in der Milchstraße, stecken ungefähr auf halbem Weg vom Zentrum entfernt, und alles, was wir darüber lernen, lernen wir hier. Die gute Nachricht ist, dass wir Menschen wirklich, wirklich schlau sind.
Wir haben Teleskope erfunden! Und wir haben herausgefunden, wie man die Galaxie auf unterschiedliche Weise beobachten kann, und wir haben gelernt, dass es sich um eine flache Scheibe mit Spiralarmen handelt, die eine gewölbte Sternenkugel umgibt, einen Kern mit einem riesigen schwarzen Loch in der Mitte umgibt. Es gibt auch einen Heiligenschein von Sternen, der das Ganze umgibt. Wir haben sogar anständige Zahlen darüber, wie groß jede Komponente ist und sogar die Masse für die meisten.
Die meisten… aber nicht alle . Die Scheibe, die Ausbuchtung und der Kern bestehen alle aus dem, was wir normale Materie nennen, Atome und Elektronen und Protonen und Neutronen und so weiter. Im Laufe der Jahre konnten wir die Masse dieser Komponenten bestimmen, vor allem weil wir sie sehen und messen können.
Aber dieser Heiligenschein ist ein Problem. Es enthält auch normale Materie, meistens in Form von Sternen, aber Tatsache ist, dass der Großteil davon besteht Dunkle Materie , Dinge, die wir nicht sehen und nur folgern können.
Die gute Nachricht ist, dass dunkle Materie immer noch Materie ist, und das bedeutet, dass sie es hat Masse , und das bedeutet, dass es Schwerkraft hat. Und das bedeutet (ich bekomme vielleicht zu viele, das heißt hier tief, aber das ist der letzte) wir können seine Masse bestimmen, indem wir seine Schwerkraft auf andere Dinge darin auswirken.
Und es gibt Dinge im Inneren des Halos, die wir sehen können, nämlich Kugelsternhaufen. Durch die Kombination von Daten vom Hubble-Weltraumteleskop mit neuen Messungen mit dem phänomenalen Gaia-Observatorium, Astronomen haben jetzt die Masse des Milchstraßen-Halos ermittelt : Es ist 1,54 Billion mal die Masse der Sonne.
Das ist viel. Es ist eine große Galaxie! Aber der Spaß ist drin wie sie das gemacht haben .
Die aktuellste Karte der Milchstraße wird in einer Künstlerdarstellung gezeigt. Die Sonne steht direkt unter dem galaktischen Zentrum, in der Nähe des Orionsporns. Die Scutum-Centaurus-Arme schwingen nach rechts und oben und gehen hinter der Mitte zur anderen Seite. Der beobachtete Maser befindet sich vom Zentrum im S-C-Arm fast direkt gegenüber der Sonne, 65.000 Lichtjahre entfernt. Kredit: NASA/JPL-Caltech/R. Verletzt (SSC/Caltech)
Ein Beispiel: In unserem Sonnensystem ist die überwältigend größte Masse die Sonne. Wenn Sie messen, wie schnell ein Planet die Sonne umkreist, kombiniert mit seiner Entfernung, können Sie die Masse der Sonne bestimmen (weil die Umlaufgeschwindigkeit des Planeten durch die Schwerkraft der Sonne bestimmt wird, die von ihrer Masse abhängt).
Für die Galaxie ist es komplizierter, wo die Masse stärker verteilt ist, aber das Prinzip ist das gleiche. Isaac Newton hat gezeigt, dass die von einem Objekt empfundene Schwerkraft die Gesamtmasse ist zwischen du und es. Es spielt keine Rolle, ob die Sonne ein winziger Punkt ist oder die Umlaufbahn des Planeten ausfüllt, die vom Planeten empfundene Schwerkraft ist dieselbe. Nur die Masse innerhalb der Umlaufbahn des Planeten ist von Bedeutung.
So geht es der Milchstraße. Wenn Sie die Masse der Milchstraße ermitteln möchten, müssen Sie ein sehr weit entferntes umlaufendes Objekt erkennen und dann seine Geschwindigkeit um die Galaxie messen, um die gesamte galaktische Masse innerhalb ihrer Umlaufbahn zu berechnen. Das ist ziemlich schwierig, denn ein Objekt, das Zehntausende Lichtjahre entfernt ist, kann durch den Weltraum schreien, aber es ist so weit entfernt, dass die scheinbare Bewegung gering ist.
Aber: Wir haben wirklich gute Teleskope. Und diese Bewegung kann manchmal gemessen werden.
Der spektakuläre Kugelsternhaufen NGC 1466. Quelle: ESA / Hubble & NASA
Eintreten Kugelsternhaufen . Dies sind Ansammlungen von Hunderttausenden oder Millionen von Sternen, die durch ihre eigene Schwerkraft zusammengehalten werden, und sie sehen aus wie funkelnde Bienen, die einen Bienenstock umkreisen. Die Milchstraße hat mindestens 157 dieser Haufen, die alle das galaktische Zentrum umkreisen. Viele sind in der Nähe und nützen daher nicht viel, um die Masse der Galaxie zu bestimmen (je weiter entfernt, desto mehr wird von der Umlaufbahn eingeschlossen, desto besser), aber einige sind in der Tat sehr weit entfernt.
Das Observatorium Gaia der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) wurde entwickelt, um über eine Milliarde Sterne in unserer Galaxie zu untersuchen und ihre Position, Farben und Bewegung zu bestimmen. Es diskriminiert nicht; es betrachtet jeden möglichen Stern, und viele davon sind in Kugeln. Das bedeutet, dass wir die Bewegung vieler dieser Cluster über den Himmel haben. Kombiniert mit sorgfältigen Messungen ihres Lichts um ihre Dopplerverschiebung zu bekommen , das gibt uns eine dreidimensionale Geschwindigkeit dieser Cluster!
Ein animiertes Bild, das die Bewegung des Kugelsternhaufens NGC 5466 (links) zeigt, die vom Hubble-Weltraumteleskop über zehn Jahre hinweg beobachtet wurde. Die Nahaufnahme (rechts) zeigt die Sterne, die sich als Gruppe bewegen, wobei viel weiter entfernte Hintergrundgalaxien stationär erscheinen. Kredit: NASA, ESA und S.T. Sohn und J. DePasquale (STScI)
Die Astronomen, die diese Arbeit durchführten, verwendeten 34 solcher Cluster von 75, die von Gaia gemessen wurden, die ihren Anforderungen entsprachen, und sie lagen in einer Entfernung von 6.500 bis fast 70.000 Lichtjahren vom galaktischen Zentrum entfernt. Sie taten dies auch mit noch weiter entfernten Clustern (auf fast 130.000 Lichtjahre), die von Hubble gemessen wurden. Das fügte 16 weitere zu ihrer Bilanz hinzu.
Sie konnten alles bekommen, was sie brauchten, um dann die Masse der Galaxie zu berechnen. Leicht ist es trotzdem nicht! Zum Beispiel waren die inneren Haufen, die Gaia sah, zahlreicher, und so erhielten sie bessere Statistiken, aber sie sind nicht weit genug entfernt, um die Gesamtmasse der Galaxie zu erfassen; der galaktische Halo erstreckt sich an ihnen vorbei, und sie können seine Masse nicht mit ihnen messen. Die Hubble-Cluster halfen, aber es gab weniger davon, daher waren die Statistiken etwas komplizierter (obwohl sie mit den beiden verschiedenen Cluster-Populationen unterschiedliche Gesamtmassenschätzungen erhielten, lagen die beiden Zahlen innerhalb der statistischen Unsicherheit voneinander, was bedeutet, dass sie sind statistisch nicht zu unterscheiden).
Eine Simulation der Milchstraße, die von Kugelhaufen umgeben ist, unter Verwendung tatsächlicher Positionsdaten. Kredit: ESA / Hubble, NASA, L. Road, M.Kormesser
Am Ende mussten sie angesichts des Wissens über Form und Größe des Halos über diese Cluster hinaus extrapolieren, aber auch hier waren die Zahlen, die sie erhielten, konsistent. Um fair zu sein, was sie bekamen, war das 1,54 Billionenfache der Sonnenmasse, mit Unsicherheit von +0,75 Billionen und -0,44 Billionen … also könnte es alles zwischen 0,79 und 2,29 Billionen sein.
Damit gehört die Milchstraße zu den großen Galaxien im Universum (die wir kannten). Viele sind größer, aber die meisten sind viel kleiner.
Warum also tun? Spielt es eine Rolle, wie hoch unsere Gesamtmasse ist?
Jawohl! Zum Beispiel ist die Masse unserer Galaxie wichtig, um die Satelliten zu verstehen, die sie umkreisen. Es gibt einige Diskussionen über das Verhalten der beiden größten, der Großen und Kleinen Magellanschen Wolken. Werden sie irgendwann kollidieren? Umkreisen sie uns wirklich oder kommen sie nur vorbei? Unsere Masse trägt dazu bei.
Illustration eines kosmischen Zugwracks: Die Kollision der Milchstraße mit der Andromeda-Galaxie in vier Milliarden Jahren. Kredit: NASA, ESA, Z. Levay und R. van der Marel (STScI), T. Hallas und A. Mellinger
Disney Die Abenteuer von Ichabod und Mr. Toad
Irgendwann wird die Andromeda-Galaxie mit uns kollidieren ( in etwa 4,6 Milliarden Jahren ). Wie das geschieht, hängt sehr von unserer Masse ab. Die Massenbestimmung der Milchstraße sagt uns auch über die Struktur unserer Galaxie und sogar wie sie sich in die großräumige Struktur des Universums einfügt. Und es sagt uns auch, einfach genug, ist unsere Galaxie typisch? Sind wir in gewisser Weise wie andere Galaxien, in anderen anders? Wir verwenden unsere lokale Umgebung als Vorlage, um zu verstehen, was dahinter liegt – sei es unser Haus in einer Nachbarschaft von Hunderten von anderen oder unsere Galaxie unter Billionen.
Es ist ein bisschen engstirnig, sicher, aber es ist ein guter Anfang. Und wie wir immer wieder festgestellt haben, hat das Universum eine Möglichkeit, unsere anfängliche Sichtweise anzupassen, unsere Vorurteile abzubauen und unsere Wertschätzung für die Vielfalt im Kosmos zu stärken.
Ich hatte immer das Gefühl, dass dies trotz des kalten und gleichgültigen Verhaltens des Universums im Allgemeinen eine tiefgreifende Lektion ist, die ich in meinem eigenen Leben anwenden kann. Vielleicht kannst du das auch.
