Лаборатория космических исследований

Ульяновская секция Поволжского отделения Российской Академии Космонавтики им. К. Э. Циолковского

Ульяновский Государственный Университет
Как определить массу Галактики, внутри которой мы живем?

 

     Основной метод определения массы Галактики – измерение скорости шаровых скоплений, находящихся на периферии Галактики.       

      Используя данные, полученные от нескольких космических аппаратов, в том числе Хаббла и Гайя, астрономы получили результат: масса нашей Галактики – 1.5 триллиона масс Солнца. На долю темного вещества (если это, действительно, вещество), приходится 85-90 % оцененной  массы.

      

     Чтобы понятней была идея решения, приведем очень простой пример. Измерив орбитальную скорость планеты и ее расстояние от Солнца, можно определить массу центрального тела, создающего поле тяготения (Солнца).

    Значит, чтобы найти массу  всей Галактики, нужно найти  орбитальную скорость светил, орбита которых охватывает всю Галактику, и оценить их расстояние от центра Галактики. Для этого больше всего подходят шаровые скопления, так как они – самые дальние объекты, принадлежашие нашей Галактике. Реально решение такой задачи оказывается намного сложнее приведенного примера и описанного здесь способа.

      Галактика не является одним компактным телом, как Солнце, а состоит из множества отдельных составных частей. Кроме излучающих звезд, которых насчитывается примерно 300 миллиардов и которые составляют всего 4% массы Галактики, в ней находятся коричневые и угасшие звезды, планеты и другие «малые тела», межзвездное вещество, центральная черная дыра и огромная масса темного вещества. Все перечисленное распределено неравномерно в теле Галактики, которая сама имеет довольно сложную форму.

     Шаровые скопления – самые дальние и самые старые объекты Галактики. Они образовались из газовых сгустков во времена образования галактик, содержат сотни тысяч – миллионы звезд.

                                    Шаровое скопление. Фото космического аппарата Хаббл

       Все звезды скопления имеют свои скорости и из-за влияния соседних звезд могут приобретать скорости, позволяющие покинуть скопление. Это явление называется испарением скоплений. Зная величину гравитационного поля скопления, можно рассчитать, за сколько времени скопление должно испариться – за десятки миллиаров лет. Но шаровые скопления существуют, так как им «всего»  10 миллиардов лет. Правда, скопления, содержавшие меньшее число членов, уже давно рассыпались в поле Галактики.

      Чтобы оценить массу Галактики, как уже было сказано, надо определить скорость движения шарового скопления по орбите, но из наблюдений у нас есть возможность получить только скорость скопления относительно наблюдателя. Ее пересчитывают в скорость относительно центра  Галактики и получают положение скопления на орбите в момент времени наблюдений. Таких положений скопления нужно получить несколько, желательно как можно с большим интервалом времени наблюдений, что позволит вычислить параметры орбиты и скорости в любой ее точке. Орбиты шаровых скоплений в первом приближении – эллипсы. Периоды вращения составляют миллиарды лет, а скорости – сотни км/с.

     Для получения пространственной скорости скопления относительно наблюдателя, кроме радиальной скорости и расстояния, которые сравнительно легко определяются, нужно получить тангенциальную составляющую скорости. Ее измеряют по двум координатам в угловой мере. Это так называемое «собственное движение». Его измерение представляет самые большие трудности: как измерить угловое смещение скопления, удаленного на десятки тысяч световых лет?  С Земли его заметить невозможно. Поэтому используются данные космических аппаратов.

      В 2018 году группа сотрудников Астрономического института Московского Университета (ГАИШ МГУ)  опубликовала серию статей о собственных движениях шаровых скоплений и об их орбитах (Астрофизическийбюллетень, 2018, том 73, 2, с. 168–189.  А. Расторгуев и др.).

     Авторы использовали шесть звездных каталогов разных эпох, охватывающие 65 лет наблюдений, за опорный был принят первый каталог Гайя. В каждом из исследованных шаровых скоплений определялись изменения со временем координат выделенных звезд  и оценивались их собственные движения. Усредненные по каждому шаровому скоплению собственные движения имели точность 0.004 секунды дуги в год. Для каждого из 115 изученных скоплений было получено по несколько точек на орбитах за суммарный интервал времени в 65 лет. Эти результаты позволили определить параметры орбит. Выяснилось, что эллиптические орбиты шаровых скоплений значительно изменяются из-за влияния неоднородностей плотности Галактики. Эти исследования будут продолжены и дадут возможность получить  более точную оценку массы Галактики.

     Второй пакет данных, полученный с космической обсерватории Гайя, дал возможность международной группе ученых во главе с Лаурой Уоткинс провести в 2019 году новые исследования («Evidence for an Intermediate-Mass Milky Way from Gaia DR2 Halo Globular Cluster Motions» Laura L. Watkins и др., 8 февраля 2019 г., Архив Корнелльского университета). Второй пакет данных Гайи содержит галактоцентрические координаты, направления и скорости движения в картинной плоскости, лучевые скорости, расстояния и другие характеристики более миллиарда небесных объектов.

              Космическая обсерватория Гайя

      Авторы использовали данные о 34 шаровых скоплениях, находящихся в пределах 65 000 световых лет от Солнца и наблюдавшихся космическим аппаратом Гайя в течение 22 месяцев. Эта выборка была дополнена 12-ю шаровыми скоплениями в радиусе 130 000 световых лет, наблюдавшимися  космическим аппаратом Хаббл в течение 10 лет. Для всех скоплений были вычислены орбитальные скорости. Четыре скопления оказались общими для обоих списков. Их орбитальные скорости совпали.

     Используя полученные орбитальные скорости 46 шаровых скоплений, авторы оценили суммарную массу всех компонентов нашей Галактики в 1.5 триллиона масс Солнца в объеме радиусом 129 000 световых лет.  Реальный радиус внешней границы Галактики неизвестен. На долю барионного вещества приходится 10-15 % массы, остальные 85-90 % массы – на темное вещество непонятной природы.

В данной статье, представленной уважаемой RMR_astra, меня поразили несколько фактов.

1. В Астрономическом институте Московского Университета (ГАИШ МГУ) продолжают проводить фундаментальные научные разработки. Зная немного изнутри, кто и в каком количестве в настоящее время приходят в ГАИШ, можно только продолжать надеяться, что науку и истинных ученых "не задушишь, не убьешь".

2.  Задача определения массы нашей Галактики - грандиозный замысел. Пусть даже оценка массы и объема может оказаться ошибочной. Ведь результат невозможно точно проверить и подтвердить. Но сама попытка достойна больше, чем уважения.

Поэтому возник вопрос. Проводились ли подобные расчеты где-либо раньше?

3.   Ну и, конечно, :

85-90 % массы – темное вещество непонятной природы.

Самые значительные открытия совершались, когда физики, в данном случае, астрофизики честно и открыто признавали, что не понимают и не могут объяснить.

   Уважаемая Полина! Ваш вопрос попал в точку, так как это больной вопрос. Масса Галактики оценивалась много раз. Разброс результатов – огромный: от 0.5 триллиона до 3 триллионов масс Солнца.

  Хорошо, что авторы подробно описывают использованные методы, можно понять, почему  такая большая разница в оценках. В ранних работах не учитывались массы коричневых карликов, небольших черных дыр, в которые, умирая, превратились  некоторые звезды, и других составляющих Галактики, которые наблюдаются только из космоса в инфракрасном или коротковолновом диапазонах. Хорошо, что многие авторы указывают, какой объем Галактики они “захватили”, т.е. как далеко смогли “увидеть”. Более новые исследования включают диск темного вещества, но его размер точно не известен. Поэтому в последней работе, описанной в моей статье, авторы указывают радиус объема, в котором они оценили массу: 129 000 световых лет. 

  Оценки массы галактики осуществляются на большом наблюдательном материале, применяются различные методы и подходы, результаты наблюдений используются для компьютерного моделирования. Во всех научных статьях приводятся оценки достоверности полученных результатов.

  Астрономы ждут результатов новых космических исследований, поэтому вполне возможны уточнения.