gov-civil-vilareal.ptHvad er Mælkevejens masse?
>En underlig ting ved astronomi er, at en af de sværeste ting i hele universet at forstå er Mælkevejen.
Det er som at vide meget om dit kvarter, den nærliggende by og endda din stat, men egentlig ikke vide meget om dit eget hus.
For at være retfærdig er det som at prøve at forstå dit hus, men ikke få lov til at forlade dit skab. Vi er inde i Mælkevejen, fast omkring halvvejs ude fra midten, og alt, hvad vi lærer om det, lærer vi lige her. Den gode nyhed er, at vi mennesker er virkelig, virkelig kloge.
Vi opfandt teleskoper! Og vi fandt ud af, hvordan vi kan observere galaksen på forskellige måder, og vi lærte, at det er en flad skive med spiralarme, der omgiver en klumpet stjernekugle, der omgiver en kerne med et kæmpe stort sort hul i midten. Der er også en glorie af stjerner omkring det hele. Vi har endda anstændige tal om, hvor stor hver komponent er, og endda massen for det meste.
De fleste ... men ikke alle . Disken, bule og kerne er alle lavet af det, vi kalder normalt stof, atomer og elektroner og protoner og neutroner og sådan noget. I årenes løb har vi været i stand til at bestemme massen af disse komponenter, mest fordi vi kan se dem og måle dem.
Men den glorie er et problem. Det har også normalt stof i sig, mest i form af stjerner, men faktum er, at størstedelen af det består af mørkt stof , ting vi ikke kan se, og kun kan udlede.
Den gode nyhed er, at mørkt stof stadig er materie, og det betyder, at det har det masse , og at betyder, at den har tyngdekraften. Og det betyder (jeg får måske for mange, der betyder dybt her, men det er den sidste) vi kan bestemme dens masse ved, hvordan dens tyngdekraft påvirker andre ting inde i den.
Og der er ting inde i glorien, vi kan se, nemlig kuglehobe. Ved at kombinere data fra Hubble -rumteleskopet med nye målinger ved hjælp af det fænomenale Gaia -observatorium, astronomer har nu fundet ud af Mælkevejens glorie : Det er 1,54 billioner gange Solens masse.
Det er en del. Det er en stor galakse! Men det sjove er inde hvordan de gjorde dette .
Det mest aktuelle kort over Mælkevejen er vist i en kunstners repræsentation. Solen er direkte under det galaktiske centrum, nær Orion Spur. Scutum-Centaurus-armene fejer ud til højre og over og går bag midten til den yderste side. Den observerede maser er næsten direkte modsat Solen fra midten i S-C-armen, 65.000 lysår væk. Kredit: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech)
Et eksempel: I vores solsystem er den overvældende største masse Solen. Hvis du måler, hvor hurtigt en planet kredser om Solen, kombineret med dens afstand, kan du bestemme Solens masse (fordi planetens omdrejningshastighed bestemmes af Solens tyngdekraft, som afhænger af dens masse).
Det er mere kompliceret for galaksen, hvor massen er mere spredt, men princippet er det samme. Isaac Newton viste, at den tyngdekraft, du føler fra et objekt, er den samlede masse mellem dig og det. Det er ligegyldigt, om Solen er et teeny -punkt eller fylder planetens kredsløb, planets tyngdekraft er den samme. Kun masseindretningen til planetens bane er vigtig.
sund fornuft medier 13 grunde hvorfor
Så det gælder for Mælkevejen. Hvis du vil have Mælkevejens masse, skal du få øje på et meget fjerntliggende kredsløbsobjekt og derefter måle dets hastighed rundt om galaksen for at beregne al den galaktiske masse inde i dens bane. Dette er ret hårdt, fordi et objekt titusinder af lysår væk kan skrige gennem rummet, men det er så langt væk, at den tilsyneladende bevægelse er lille.
Men: Vi har rigtig gode teleskoper. Og den bevægelse kan nogle gange måles.
Den spektakulære kuglehob NGC 1466. Kredit: ESA / Hubble og NASA
Gå ind kuglehobe . Disse er samlinger af hundredtusinder eller millioner af stjerner, der holdes sammen af deres egen tyngdekraft, og de ligner funklende bier, der cirkler rundt om en bikube. Mælkevejen har mindst 157 af disse klynger, der alle kredser om det galaktiske centrum. Mange er tæt på, og så nytter det ikke meget at få galaksens masse (jo mere fjernt, jo mere er omgivet af kredsløbet, så jo bedre), men ganske få er faktisk meget langt væk.
Det europæiske rumagenturs observatorium Gaia var designet til at se på over en milliard stjerner i vores galakse og bestemme deres position, farver og bevægelse. Det diskriminerer ikke; den ser på hver eneste stjerne den kan, og mange af dem er i globularer. Det betyder, at vi har bevægelsen hen over himlen på mange af disse klynger. Kombineret med omhyggelige målinger af deres lys for at få deres Doppler -skift , der giver os en tredimensionel hastighed af disse klynger!
Et animeret billede, der viser bevægelsen af kuglehoben NGC 5466 (til venstre) set af Hubble -rumteleskop over ti år. Nærbillede (til højre) viser stjernerne bevæge sig som en gruppe med meget mere fjerne baggrundsgalakser, der fremstår stationære. Kredit: NASA, ESA og S.T. Sohn og J. DePasquale (STScI)
lille hus i den store skov
Astronomerne, der udførte dette arbejde, brugte 34 sådanne klynger ud af 75 målt af Gaia, der passede til det, de havde brug for, og de varierede i afstand fra 6.500 til næsten 70.000 lysår væk fra det galaktiske centrum. De gjorde dette også med klynger endnu længere væk (ud til næsten 130.000 lysår) målt af Hubble. Det tilføjede 16 flere til deres optælling.
De var i stand til at få alt, hvad de havde brug for for derefter at udregne massen af galaksen. Det er dog stadig ikke let! For eksempel var de indre klynger, der blev set af Gaia, flere, og derfor fik de bedre statistik med sig, men de er ikke langt nok til at få galaksens samlede masse; den galaktiske glorie strækker sig forbi dem, og de kan ikke måle dens masse med dem. Hubble -klyngerne hjalp, men der var færre af dem, så statistikken var lidt dicier (selvom de fik forskellige samlede masseestimater ved hjælp af de to forskellige klyngepopulationer, lå de to tal inden for hinandens statistiske usikkerhed, hvilket betyder, at de kan ikke skelnes statistisk).
En simulering af Mælkevejen galakse omgivet af kugleformede clsuters, ved hjælp af faktiske positionsdata. Kredit: ESA / Hubble, NASA, L. Road, M.Kormesser
Til sidst måtte de ekstrapolere ud forbi disse klynger i betragtning af, hvad vi ved om glorieens form og størrelse, men igen var tallene, de fik, konsistente. For at være retfærdig var det, de fik 1,54 billioner gange solens masse, med en usikkerhed på +0,75 billioner og -0,44 billioner ... så det kan være alt mellem 0,79 og 2,29 billioner.
Dette placerer Mælkevejen blandt de store galakser i universet (som vi kendte). Mange er større, men de fleste er meget mindre.
Så hvorfor gøre dette? Er det ligegyldigt, hvad vores samlede masse er?
Ja! For eksempel er massen af vores galakse vigtig for at forstå de satellitter, der kredser om den. Der er et eller andet argument om adfærden hos de to største, de store og små magellanske skyer. Vil de i sidste ende kollidere? Kører de virkelig i kredsløb om os eller går de bare forbi? Vores masse spiller en rolle i det.
Illustration af et kosmisk togvrag: Mælkevejen/Andromeda -galaksen kollision, fire milliarder år fra nu. Kredit: NASA, ESA, Z. Levay og R. van der Marel (STScI), T. Hallas og A. Mellinger
Til sidst vil Andromeda -galaksen kollidere med os ( på omkring 4,6 milliarder år ). Hvordan det sker afhænger meget af vores masse. Mælkevejens massebestemmelse fortæller os også om strukturen i vores galakse, og endda hvordan den spiller ind i universets større struktur. Og den fortæller os også, simpelthen nok, om vores galakse er typisk? Er vi ligesom andre galakser på nogle måder, anderledes på andre? Vi bruger vores lokale omgivelser som en skabelon til at forstå, hvad der ligger ud over - uanset om det er vores hus i et kvarter med hundredvis af andre eller vores galakse blandt billioner.
Det er en smule parokialt, men det er et godt sted at starte. Og som vi har fundet igen og igen, har universet en måde at justere vores oprindelige udsyn på, reducere vores fordomme og styrke vores værdsættelse af mangfoldighed i kosmos.
Jeg har altid følt, at på trods af universets kolde og ubekymrede opførsel generelt er det en dybtgående lektion, jeg kan bruge i mit eget liv. Måske kan du også.
