Wie wiegt man eine Galaxie? Es ist eine astronomische Herausforderung, besonders wenn es sich um die Galaxie handelt, die Sie Ihr Zuhause nennen. Es stellt sich heraus, dass es mehrere Möglichkeiten gibt, die Masse der Milchstraße in den Griff zu bekommen, und eine aktuelle Studie wurde am veröffentlicht arXiv Der Pre-Print-Server fasst diese Methoden zusammen, um den besten Wert zu präsentieren.
Eine Methode besteht darin, die Bewegung der Sterne in der Galaxie zu betrachten. Die meisten Sterne der Milchstraße folgen einer annähernd kreisförmigen Bahn um das galaktische Zentrum. So wie Planeten die Sonne umkreisen, kreisen Sterne um die Galaxie. Da die Schwerkraft die Kraft ist, die Sterne auf ihrer Umlaufbahn hält, können Sie anhand der Geschwindigkeit und Entfernung eines Sterns vom Zentrum die Masse in seiner Umlaufbahn bestimmen. Nicht alle Sterne haben kreisförmige Umlaufbahnen, aber im Durchschnitt schon. So können Sie die Geschwindigkeit gegenüber der Entfernung vom Zentrum bekannter Sterne grafisch darstellen und die sogenannte Rotationskurve erhalten. Messungen dieser Kurve in der Milchstraße und anderen Galaxien waren der erste Beweis dafür, dass Galaxien viel mehr Masse hatten, als sichtbare Sterne haben könnten, was zur Idee der Dunklen Materie führte.
Eines der Probleme bei der Rotationskurvenmethode besteht darin, dass wir Sterne nur bis zu einer bestimmten Entfernung messen können. Wir wissen jetzt, dass der Großteil der Masse unserer Galaxie nicht im Zentrum konzentriert ist, sondern sich nach außen in einen galaktischen Halo erstreckt. Aus der Rotationskurve können wir die Masse des Halos abschätzen, aber wir können uns auch die Bewegung von Kugelsternhaufen ansehen.
Kugelsternhaufen sind helle, dichte Sternhaufen. Da Sterne innerhalb eines Kugelsternhaufens durch die Schwerkraft gebunden sind, bewegen sich diese Sternhaufen wie ein einzelnes Objekt durch die Galaxie. Sie befinden sich in einer Kugel rund um die Milchstraße. Die Messung ihrer Bewegung hilft uns daher, die Masse des galaktischen Halos zu bestimmen.
Um den äußeren Bereich des galaktischen Halos zu messen, können wir die Bewegung von Satellitengalaxien wie den Magellanschen Wolken betrachten. Im Umkreis von etwa 1,4 Millionen Lichtjahren um die Milchstraße gibt es etwa 60 kleine Galaxien. Nicht alle von ihnen befinden sich im Orbit um unsere Galaxie, aber viele von ihnen schon. Da sie außerhalb unseres galaktischen Halos liegen, werden ihre Umlaufbewegungen durch die gesamte Masse unserer Galaxie bestimmt. Der einzige Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass das Ergebnis bei nur wenigen Dutzend umlaufenden Galaxien nicht besonders genau ist.
Alle diese Ansätze berechnen die Masse der Milchstraße aus der Orbitalbewegung. Es gibt einige Methoden, die nicht auf der Orbitalbewegung basieren. Eine davon ist die Betrachtung der Gezeitenfahnen von Zwerggalaxien. In der Geschichte unserer Galaxie gab es einige Kugelsternhaufen und Zwerggalaxien, die sich zu nahe an die Zentralregion der Milchstraße gewagt haben und durch Gezeitenkräfte auseinandergerissen wurden. Die Überreste dieser Galaxien bilden einen Strom von Sternen, wie zum Beispiel den Sagittarius-Strom. Durch die Berechnung der Bewegung dieser Ströme können wir die galaktische Masse abschätzen.
Ein anderer Ansatz besteht darin, Sterne zu beobachten, die unsere Galaxie verlassen. Gelegentlich kommt es vor, dass ein Stern einen anderen Stern beinahe verfehlt und so schnell an Geschwindigkeit gewinnt, dass er unserer Galaxie entkommen kann. Da die Fluchtgeschwindigkeit von der galaktischen Masse abhängt, ergibt ein statistisches Maß für die Flucht von Sternen die Masse der Galaxie.
Schließlich können wir uns die lokale Galaxiengruppe ansehen. Dazu gehören die Andromeda-Galaxie und ihre Satellitengalaxien. Unsere lokale Gruppe ist gravitativ von weiter entfernten Galaxienhaufen isoliert. Ein Blick auf den Gleichgewichtszustand der lokalen Gruppe gibt uns einen Überblick über ihre Gesamtmasse und die Masse der Milchstraße.
Jeder dieser Ansätze hat seine eigenen Vorteile und Genauigkeitsgrade. Keiner von ihnen hat allein das letzte Wort. In dieser neuesten Arbeit hat das Team einen statistischen Durchschnitt verschiedener Methoden herangezogen und daraus abgeleitet, was wir den besten Wert für die Masse unserer Galaxie nennen könnten. Sie ermittelten einen Wert von einer Billion Sonnenmassen, plus oder minus ein paar Hundert Milliarden Sonnenmassen.
Mehr Informationen:
VV Bobylev et al, Übersicht über aktuelle Schätzungen der Galaxienmasse, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2305.18408