منذ ولادة علم الفلك الحديث ، سعى العلماء إلى تحديد المدى الكامل لمجرة درب التبانة ومعرفة المزيد عن هيكلها وتشكيلها وتطورها. في الوقت الحاضر ، يقدر الفلكيون أن قطرها يتراوح بين 100000 و 180.000 سنة ضوئية ويتكون من 100 إلى 400 مليار نجم - على الرغم من أن بعض التقديرات تقول أنه يمكن أن يكون هناك ما يصل إلى 1 تريليون.
ومع ذلك ، حتى بعد عقود من البحث والملاحظات ، لا يزال هناك الكثير عن علماء الفلك في مجرتنا الذين لا يعرفون. على سبيل المثال ، ما زالوا يحاولون تحديد مدى ضخامة درب التبانة ، وتختلف التقديرات اختلافًا كبيرًا. في دراسة جديدة ، يقدم فريق من العلماء الدوليين طريقة جديدة لوزن المجرة استنادًا إلى ديناميكيات مجرات أقمار درب التبانة.
ظهرت الدراسة التي تحمل عنوان "كتلة درب التبانة من ديناميات الأقمار الصناعية" في الآونة الأخيرة الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية. قاد الدراسة توماس كالينجهام من معهد علم الكونيات الحسابي بجامعة دورهام ، وشمل أعضاء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ، ومعهد هايدلبرغ للدراسات النظرية ، وجامعات متعددة.
كما تشير في دراستهم ، فإن كتلة درب التبانة أساسية لفهمنا للفيزياء الفلكية. ليس فقط أنها مهمة من حيث وضع مجرتنا في سياق عامة مجرة المجرة ، ولكنها تلعب أيضًا دورًا رئيسيًا عند معالجة بعض من أعظم الألغاز التي تنشأ من نظرياتنا الفيزيائية الفلكية والكونية الحالية.
وتشمل هذه تعقيدات تكوين المجرات ، والتناقضات مع نموذج لامدا الباردة للمواد المظلمة الباردة (لامدا سي دي إم) ، والنظريات البديلة حول طبيعة المادة المظلمة ، والبنية واسعة النطاق للكون. والأكثر من ذلك ، أن الدراسات السابقة أعيقت بسبب عدد من العوامل ، بما في ذلك حقيقة أن هالة المادة المظلمة في درب التبانة (التي تشكل معظم كتلتها) لا يمكن ملاحظتها بشكل مباشر.
قضية رئيسية أخرى هي حقيقة أنه من الصعب قياس مدى وكتلة درب التبانة لأننا داخلها. ونتيجة لذلك ، أدت الدراسات السابقة التي حاولت استنتاج كتلة مجرتنا إلى تقديرات كتلة تتراوح من حوالي 500 مليار إلى 2.5 تريليون مرة من كتلة شمسنا (كتل شمسية). كما أوضح كالينجهام لمجلة الفضاء عبر البريد الإلكتروني ، كانت هناك حاجة إلى نهج محسن:
"غالبية المجرة في هالة المادة المظلمة ، والتي لا يمكن ملاحظتها بشكل مباشر. بدلاً من ذلك ، نستنتج خصائصه من خلال رصد المتتبعات الديناميكية المختلفة التي تشعر بالتأثيرات الجاذبية للمادة المظلمة - مثل التجمعات النجمية والعناقيد الكروية والبخار والمجرات الساتلية. معظم هذه تقع في مركز مجرتنا في القرص المجري (داخل ~ 10kpc) والهالة النجمية (~ 15kpc) والتي يمكن أن تعطي تقديرات كتلة جيدة للمنطقة الداخلية. ومع ذلك ، تصل هالة DM إلى 200 كيلوبايت تقريبًا ، ولهذا السبب اخترنا التركيز على المجرات الساتلية ، باعتبارها واحدة من أجهزة التتبع الوحيدة التي تستكشف هذه الأجزاء الخارجية من المجرة. "
من أجل دراستهم ، اعتمد الفريق على البيانات من الإصدار الثاني من بيانات القمر الصناعي Gaia (إصدار DR2) لوضع قيود أفضل على كتلة درب التبانة. تتضمن مهمة Gaia ، التي قدمت معلومات أكثر من أي وقت مضى حول مجرتنا ، الموقع والحركات النسبية لعدد لا يحصى من النجوم في درب التبانة - بما في ذلك تلك الموجودة في المجرات الساتلية. كما أشار كالينجهام ، أثبت هذا أنه مفيد للغاية لتقييد كتلة درب التبانة:
"قارنا الخصائص المدارية للطاقة والزخم الزاوي لمجرات الأقمار الصناعية MWs بتلك الموجودة في المحاكاة. استخدمنا أحدث الملاحظات للأقمار الصناعية MWs من مجموعة بيانات Gaia DR2 الأخيرة وعينة من المجرات المناسبة والمجرات الساتلية من محاكاة EAGLE ، وتم تشغيل محاكاة رائدة في دورهام بحجم كبير وفيزياء باريونية مائية كاملة. "
برنامج EAGLE (Evolution and Assembly of GaLaxies وبيئاتها) ، الذي تم تطويره من قبل معهد علم الكونيات الحسابي بجامعة دورهام ، يصمم تشكيل الهياكل في حجم كوني يقيس 100 ميغابارساكس على جانب (أكثر من 300 مليون سنة ضوئية). ومع ذلك ، فإن استخدام هذا البرنامج لاستنتاج كتلة درب التبانة قدم بعض التحديات.
قال كالينجهام: "إن التحدي الذي يواجه ذلك هو عينة محدودة من المجرات بحجم MW في EAGLE (أو في الواقع أي محاكاة)". "للمساعدة في ذلك ، نستخدم علاقة قياس الكتلة لتوسيع العينة الإجمالية للمجرات لتكون الكتلة نفسها. وهذا يتيح لنا استخدام المزيد من مجموعة البيانات بشكل فعال وتحسين إحصائياتنا بشكل كبير. تم اختبار طريقتنا بعد ذلك بصرامة من خلال العثور على كتلة المجرات المحاكية من EAGLE ومحاكاة Auriga - مجموعة مستقلة من المحاكاة عالية الدقة. وهذا يضمن أن تقدير الكتلة لدينا قوي ولديه أخطاء واقعية (وهو أمر يصارعه المجال أحيانًا بسبب الافتراضات التحليلية).
من هذا ، وجدوا أن إجمالي كتلة الهالة لدرب التبانة كانت حوالي 1.04 × 1012 (أكثر من 1 تريليون) كتل شمسية ، بهامش خطأ 20٪. يضع هذا التقدير قيودًا أكثر صرامة على كتلة درب التبانة من التقديرات السابقة ، ويمكن أن يكون له بعض الآثار المهمة في مجالات علم الفلك والفيزياء الفلكية وعلم الكونيات. كما لخص كالينجهام:
يمكن استخدام تقدير الكتلة الأكثر صرامة بطرق عديدة. في نمذجة المجرات ، فإن هالة DM هي الخلفية التي تناسب المكونات النجمية. تعتمد العديد من الطرق لفحص طبيعة DM ، مثل هيكل هالة DM ، وكذلك كثافة DM على الأرض لأغراض الكشف المباشر على كتلة MW. يمكن أيضًا استخدام الكتلة للتنبؤ بعدد المجرات الساتلية حول MW التي نتوقعها ".
بالإضافة إلى تزويد علماء الفلك بقياسات محسنة لكتلة درب التبانة - والتي ستقطع شوطًا طويلًا نحو إعلامنا بحجمها ومداها وعدد سكان المجرات الساتلية - لهذه الدراسة أيضًا آثار على فهمنا للكون ككل. والأكثر من ذلك ، أنها دراسة رائدة أخرى أصبحت ممكنة من خلال غايا إصدار البيانات الثاني.
الإصدار الثالث من جايا من المقرر أن تتم البيانات في أواخر عام 2020 ، مع نشر الكتالوج النهائي في 2020s. وفي الوقت نفسه ، تمت الموافقة على تمديد ل جايا المهمة ، والتي ستبقى قيد التشغيل حتى نهاية عام 2020 (سيتم تأكيدها في نهاية هذا العام).
