Πώς να ζυγίσετε τον Γαλαξία μας

Πηγή: New Scientist, 20 Ιανουαρίου 2009

Πριν από λίγες μέρες αστρονόμοι ανακοίνωσαν μια νέα μέτρηση της μάζας του Γαλαξία μας - που λέει ότι είναι 50% μεγαλύτερη από ό,τι θεωρούσαμε πριν, ενώ πλησιάζει στο μέγεθος του γειτονικού μας γαλαξία, της Ανδρομέδας.

Το νέο αποτέλεσμα είναι μια σημαντική αναθεώρηση και τριπλάσια από μια πρόσφατη εκτίμηση μιας άλλης ομάδας. Παράλληλα, θέτει ένα ερώτημα: γιατί οι αστρονόμοι δεν γνωρίζουν πόσο ζυγίζει ο Γαλαξία μας;

Οι αστρονόμοι προσπάθησαν να μετρήσουν τη μάζα του Γαλαξία από τη δεκαετία του 1920. Όμως, η μέτρηση αυτή, αποδεικνύεται εξαιρετικά δύσκολη, διότι το 90% της μάζας του Γαλαξία εκτιμάται ότι αποτελείται από σκοτεινή ύλη - μια μυστηριώδη, αόρατη ουσία που αποκαλύπτει την παρουσία της μόνο από τη βαρυτική έλξη της πάνω στα αστέρια και τα νέφη του αερίου.

Για μια σειρά από άλλους γαλαξίες, οι αστρονόμοι μπορούν να παρακάμψουν το πρόβλημα της σκοτεινής ύλης παρατηρώντας πώς κάμπτει το φως ο υπό εξέταση γαλαξίας πιο απομακρυσμένων γαλαξιών. Όσο μεγαλύτερη είναι η στρέβλωση του φωτός, τόσο ισχυρότερη είναι η βαρυτική έλξη της κανονικής και σκοτεινής ύλης του γαλαξία.

Όμως, λόγω της θέσης της Γης μέσα στον Γαλαξία, οι αστρονόμοι περιορίζονται στην άμεση μέτρηση των αντικειμένων που μπορούν να δουν: το αέριο και τα άστρα του Γαλαξία, όπως και τους μακρινούς δορυφόρους γαλαξίες και τα σμήνη των άστρων.

Κατ 'αρχήν, η κίνηση αυτών των αντικειμένων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της μάζας του Γαλαξία. Όσο πιο γρήγορα κινούνται, τόσο περισσότερο βάρος θα πρέπει να βρίσκεται ανάμεσα στις τροχιές τους για να τους εμποδίσουν να διαφύγουν στον διαγαλαξιακό χώρο.

Εντοπισμός άστρων

Η κίνηση του αερίου και των άστρων συχνά χρησιμοποιείται για να εκτιμηθεί πόση μάζα του Γαλαξία περιέχεται μέσα στον ορατό κεντρικό δίσκο του Γαλαξία. Όμως, η μέτρηση της απόστασης και της ταχύτητας του αερίου και των άστρων είναι δύσκολη, και οι περισσότερες έρευνες μπορούν να μετρήσουν μόνο πόσο γρήγορα προσεγγίζουν ή απομακρύνονται τα αστέρια από τον Ήλιο και όχι να μετρήσουν τις τρισδιάστατες τροχιές τους μέσα στον χώρο.

Ο πιο ακριβής τρόπος για τη μέτρηση της απόστασης ενός αντικειμένου είναι να χρησιμοποιήσουμε την "παράλλαξη" - διαφορές στις προοπτικές που δημιουργούνται βλέποντας ένα αντικείμενο από διαφορετικές οπτικές γωνίες. Δεδομένου ότι η Γη κινείται γύρω από τον Ήλιο μια φορά κατά τη διάρκεια ενός έτους, οι ερευνητές μπορούν να παρατηρήσουν έναν στόχο σε διάφορα σημεία που απέχουν μεγάλη απόσταση μεταξύ τους κατά μήκος της τροχιάς της Γης, ενώ μετρούν την γωνία μεταξύ των διαφόρων ευθειών από το μάτι μας έως το στόχο σε διάφορες θέσεις.

Ο Ευρωπαϊκός δορυφόρος HIPPARCOS έχει χρησιμοποιηθεί για την μέτρηση της απόστασης για περισσότερα από 100.000 αστέρια, που βρίσκονται αρκετές εκατοντάδες έτη φωτός από τον Ήλιο, με αυτή την μέθοδο.

Εκτεταμένη προσέγγιση

Το πρόσφατο αποτέλεσμα της μέτρησης του Γαλαξία επέκτεινε τέτοιες μετρήσεις αποστάσεων σε, περίπου, 10.000 έτη φωτός από τον Ήλιο. Αλλά αντί για αστέρια, ο Mark Reid του Κέντρου Αστροφυσικής στο Harvard, εξέτασε μέιζερ (masers) - πυκνές περιοχές σχηματισμού άστρων που εκπέμπουν με φυσικό τρόπο μικροκύματα.

Παρατηρώντας τις ίδιες περιοχές σε διαφορετικές χρονικές στιγμές του έτους, ο Reid ήταν σε θέση να διακρίνει μικρές αλλαγές στην θέση των μέιζερ, γεγονός που μας αποκάλυψε την απόστασή τους από τη Γη. Η ομάδα του Reid διαπίστωσε ότι τα μέιζερ φαίνεται να στρέφονται γύρω από το γαλαξιακό κέντρο πιο γρήγορα από το αναμενόμενο σύμφωνα με τις εν λόγω αποστάσεις, πράγμα που σημαίνει ότι χρειάζεται περισσότερη μάζα για να διατηρηθούν σε τροχιά.

Η αναθεωρημένη ταχύτητα δείχνει ότι ο Γαλαξίας ζυγίζει περίπου 3 τρισεκατομμύρια φορές περισσότερο από τον Ήλιο. Αλλά ο Reid υποπτεύεται πως το νέο καθεστώς του βάρους του Γαλαξία μας δεν μπορεί να κολλήσει. "Είμαι επιφυλακτικός γιατί υπάρχουν πολλές υποθέσεις που κολλάνε σε αυτή", δήλωσε.

Κεντρικός δίσκος ή η καρδιά του Γαλαξία

Για την μετατροπή των μετρήσεων της ταχύτητας περιστροφής του Γαλαξία σε μάζα, οι αστρονόμοι πρέπει να βασίζονται σε μοντέλα για το πώς κατανέμεται η σκοτεινή ύλη στον Γαλαξία. Αλλά κανείς δεν ξέρει πόση από τη μάζα του Γαλαξία βρίσκεται πέρα από τον κεντρικό του δίσκο.

"Δεν γνωρίζουμε πόση σκοτεινή ύλη είναι έξω από αυτό που μετράμε", λέει ο Christopher Mihos ειδικός στη μοντελοποίηση των γαλαξιών του Πανεπιστημίου Case Western Reserve στο Κλήβελαντ του Οχάιο.

Τα μέιζερς μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο για να ζυγιστεί ο Γαλαξίας έξω από την άκρη του ορατού δίσκου, που τελειώνει κάπου 60.000 έτη φωτός από το κέντρο του γαλαξία. Ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του Γαλαξία θεωρείται ότι βρίσκεται πιο μακριά, σε απόσταση περίπου 650.000 έτη φωτός.

Εν αναμονή του δορυφόρου Γαία (Gaia)

Η μέτρηση της μάζας του Γαλαξία παρατηρώντας όμως τα άκρα του μπορεί να είναι τελικά αδύνατη. Όμως, η κίνηση των μακρινών δορυφόρων γαλαξιών και των σφαιρωτών σμηνών - πυκνές συγκεντρώσεις αρχαίων άστρων - θα μπορούσε ίσως να μας προσφέρει κάποια ένδειξη, λέει ο Mihos.

Ορισμένα από αυτά τα αντικείμενα που είναι πάνω από 300.000 έτη φωτός μακριά, θα μπορούσαν να μας αποκαλύψουν περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την ποσότητα της ύλης που βρίσκεται μεταξύ αυτών και της καρδιάς του Γαλαξία.

Αλλά, πάλι, η μέτρηση της ταχύτητας και της απόστασης των αντικειμένων αυτών είναι δύσκολη. Και το περισσότερο, δεν είναι σαφές τι σχήμα έχουν οι τροχιές τους ή αν είναι όλα αυτά βαρυτικά δεσμευμένα με τον Γαλαξία.

Ορισμένοι προσβλέπουν στον διάδοχο δορυφόρο του HIPPARCOS - την Γαία - η οποία αναμένεται να μετρήσει με καλύτερη ακρίβεια πόσο γρήγορα κινούνται τα άστρα σε αυτούς τους δορυφόρους γαλαξίες. Το τηλεσκόπιο αυτό, που θα μετρήσει 1 δισ. περίπου αστέρια, πρόκειται να ξεκινήσει το 2013.

Ταχύτατα αστέρια

Ένας άλλος τρόπος για να εξετάσουμε απομακρυσμένες περιφέρειες του Γαλαξία είναι να παρακολουθήσουμε τα πολύ γρήγορα αστέρια κοντά στον Ήλιο. Ορισμένα από αυτά τα γρήγορα αστέρια φαίνεται να ακολουθούν εξαιρετικά επιμήκεις, ή εκκεντρικές, τροχιές που τα φέρνει έως την άκρη του Γαλαξία. Γι αυτό είναι καλοί δείκτες της ποσότητας της ύλης που είναι απαραίτητη για να μην διαφύγουν τελείως από τον Γαλαξία μας.

"Αλλά η μέτρηση αυτών των πολύ γρήγορων άστρων, επίσης, έχει τα όριά της, δεδομένου ότι αυτή η μέτρηση δείχνει την ελάχιστη μόνο μάζα του Γαλαξία που πρέπει να διατηρεί τα αντικείμενα αυτά σε τροχιά", λέει ο αστροφυσικός Julio Navarro στο Πανεπιστήμιο της Βικτώριας του Καναδά.

Η σύλληψη μιας καλύτερης εικόνας της μάζας του Γαλαξία καθώ και η δομή του μπορεί τελικά να βασίζονται σε διάφορες μεθόδους. "Θα πρέπει να συνδυαστούν όλες μαζί για να καταλήξουμε σε μια καλή γνώση", πιστεύει ο Navarro. "Δεν θα είναι εύκολη δουλειά."

Αλλά είναι ένα πολύ σημαντικό ζήτημα. Η απάντηση για την μάζα του Γαλαξία θα μπορούσε να μας δώσει μια καλύτερη αίσθηση για το εάν ο Γαλαξίας είναι υποχρεωμένος να συγκρουστεί με την Ανδρομέδα, και αν ο Γαλαξίας μας είναι ένας τυπικός ή μια εξαίρεση που μπορεί να αμφισβητήσει τα κοσμολογική μοντέλα.

Οι ίδιες μελέτες θα μπορούσαν επίσης να μας αποκαλύψουν πιο πολλά για την δομή του Γαλαξία και για το αν περιέχει δύο ή τέσσερις σπειροειδείς βραχίονες