Międzynarodowy zespół astronomów dokonał najdokładniejszego pomiaru masy Drogi Mlecznej. Badania te skłaniają do dyskusji o ważnych pytaniach w kosmologii, w szczególności o ilość ciemnej materii w naszej Galaktyce.
Całkowita masa Drogi Mlecznej jest szacowana na zaledwie dwieście miliardów razy większą niż masa Słońca, co oznacza znaczną korektę w dół – około cztery do pięciu razy mniej niż poprzednie szacunki. Nowa wartość została obliczona na podstawie trzeciego wydania katalogu danych Gaia, opublikowanego w 2022 roku. Dostarcza on kompleksowych danych dla 1,8 miliarda gwiazd, obejmujących wszystkie trzy składowe przestrzenne i trzy składowe prędkości w sześciowymiarowej przestrzeni w obrębie Drogi Mlecznej.
Znośna lekkość Drogi Mlecznej
Korzystając z danych Gaia, naukowcy byli w stanie skonstruować najdokładniejszą krzywą rotacji, jaką kiedykolwiek zaobserwowano dla galaktyki spiralnej – w tym przypadku naszej własnej Galaktyki – i oszacować jej masę. Przed Gają uzyskanie solidnej krzywej rotacji dla naszej Galaktyki stanowiło wyzwanie, w przeciwieństwie do zewnętrznych galaktyk spiralnych, co wynikało z naszego położenia w obrębie Drogi Mlecznej, co uniemożliwiło precyzyjne rozróżnienie ruchów i odległości gwiazd w dysku galaktycznym.
W opublikowanym 27 września 2023 roku artykule, które ukazało się w czasopiśmie „Astronomy and Astrophysics”, stwierdzono, że krzywa rotacji naszej Galaktyki jest nietypowa – w przeciwieństwie do innych dużych galaktyk spiralnych nie jest płaska, lecz wręcz przeciwnie; na obrzeżach dysku Galaktyki zaczyna gwałtownie opadać, zgodnie z przewidywaniami znanymi jako spadek keplerowski.
Kwestionowanie kosmologii
Uzyskanie krzywej rotacji Drogi Mlecznej, która wykazuje spadek keplerowski, wymaga umiejscowienia naszej Galaktyki w ramach kosmologicznych. Rzeczywiście, jednym z głównych przełomów we współczesnej astronomii było odkrycie, że prędkości rotacji dużych dysków galaktyk spiralnych były znacznie większe niż można by oczekiwać na podstawie spadku keplerowskiego. W latach siedemdziesiątych astronomowie Vera Rubin (za pomocą obserwacji zjonizowanego gazu) oraz Albert Bosma (badający gaz neutralny) przeprowadzili badania, które wykazały, że prędkość rotacji galaktyk spiralnych pozostaje stała na dużo większych odległościach, daleko poza ich dyskami optycznymi. To odkrycie wskazywało na obecność znacznych ilości niewidocznej materii, znanej jako ciemna materia, która utrzymuje rotację galaktyk na tak dużych odległościach.
Bezpośrednią konsekwencją tego odkrycia było wysunięcie propozycji istnienia ciemnej materii – dodatkowej formy materii, która nie jest widoczna w obserwacjach, rozproszonej w halo otaczającym dyski galaktyk spiralnych. Istnienie ciemnej materii jest niezbędne do wyjaśnienia obserwowanych krzywych rotacji galaktyk. Bez udziału ciemnej materii krzywe rotacji galaktyk podlegałyby spadkowi keplerowskiemu, co sugerowałoby brak znacznych ilości materii poza dyskiem optycznym.
Tak jest, zgodnie z obecnymi badaniami, w przypadku Drogi Mlecznej. Jeśli analizujemy zwykłą materię, czyli gwiazdy i zimny gaz obecny w naszej Galaktyce, jej łączna masa jest ogólnie szacowana na nieco ponad 0,6 x 1011 mas Słońca. Ta zwykła materia stanowi około 1/3 całkowitej masy Drogi Mlecznej.
Stanowi to rewolucję w kosmologii, ponieważ do tej pory zgadzano się, że ciemna materia powinna być co najmniej sześć razy bardziej obfita niż zwykła.
Dwa wstępne wyjaśnienia
Jeżeli większość innych dużych galaktyk spiralnych nie wykazuje krzywej rotacji ze spadkiem keplerowskim, to co sprawia, że nasza Galaktyka jest inna? Jednym z możliwych wyjaśnień może być fakt, że Droga Mleczna doświadczyła stosunkowo niewielu zakłóceń spowodowanych gwałtownymi zderzeniami galaktyk. Jej ostatnia większa fuzja miała miejsce około dziewięciu miliardów lat temu, w przeciwieństwie do średnio sześciu miliardów lat w przypadku innych galaktyk spiralnych. W każdym razie wskazuje to, że krzywa rotacji uzyskana dla Drogi Mlecznej jest szczególnie dokładna, ponieważ nie ma na nią wpływu pozostałość po tak starej kolizji.
Druga możliwość może wynikać z różnic metodologicznych między krzywą rotacji uzyskaną z sześciowymiarowych danych dla gwiazd dostarczonych przez satelitę Gaia (przypadek naszej Galaktyki), a krzywymi rotacji uzyskanymi przy użyciu obserwacji gazu neutralnego dla innych galaktyk.
Praca ta toruje drogę do ponownej oceny krzywych rotacji dużych galaktyk spiralnych i ich zawartości w zwykłej i ciemnej materii.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- The revisited mass of the Milky Way is much smaller than expectations from cosmology
- Detection of the Keplerian decline in the Milky Way rotation curve
Źródło: Observatoire de Paris-PSL
Na ilustracji: Krzywa rotacji Drogi Mlecznej przedstawiająca prędkość obrotową gwiazd w funkcji odległości od centrum Galaktyki. Białe kropki i słupki błędów przedstawiają pomiary uzyskane z katalogu Gaia DR3. Niebieska krzywa przedstawia najlepsze dopasowanie krzywej rotacji przez model obejmujący zwykłą materię i ciemną materię. Żółta część krzywej pokazuje spadek keplerowski z V malejącym jako R-1/2, który zaczyna się poza dyskiem optycznym naszej Galaktyki. Źródło: Jiao, Hammer i inni/Observatoire de Paris – PSL/CNRS/ESA/Gaia/ESO/S. Brunier
