Astronomen blijven proberen de massa van de Melkweg te meten en ze komen steeds met andere cijfers op de proppen. Maar het is niet dat ze slecht zijn in wiskunde. Het meten van de massa van zoiets enorms als de Melkweg is verwarrend. Bovendien zijn we erin ingebed; er is een aantal zeer slimme manoeuvres voor nodig om de massa te beperken.
De massa van de Melkweg is een fundamentele wetenschappelijke vraag die astronomen al decennia lang proberen te beantwoorden. Het probleem is dat zelfs de beste schattingen van astronomen enorm variëren. De moeilijkheid komt niet voort uit het meten van de massa van de sterren zelf. Het komt van de uitdaging om donkere materie te meten.
Weet je niet wat donkere materie is? Oké, Space Magazine is er om te helpen. (Als je weet wat het is, kun je het volgende gedeelte overslaan.)
De verplichting "Wat is donkere materie?" Een deel
Allereerst is donkere materie hypothetisch. We weten niet echt wat het is. Maar we weten dat het er is, of beter gezegd, we weten dat er iets is.
De dingen die we kunnen zien en waarmee we kunnen omgaan, zijn gemaakt van wat 'baryonische materie' wordt genoemd. Het is gemaakt van atomen en het zijn alle dingen die we kennen: ons lichaam, de planeten, sterren, de bril van Kim Jong-un, enz. Maar baryonische materie maakt slechts ongeveer 10-15% uit van materie in het universum.
We denken dat donkere materie ongeveer 85-90% uitmaakt van de materie in het universum. Het onderscheidt zich van gewone materie omdat het geen interactie heeft met licht en we het niet kunnen zien. Daarom wordt het donkere materie genoemd.
Maar we weten dat het er is omdat sterrenstelsels zich gedragen alsof ze veel meer massa hebben dan we kunnen zien. De hint dat het er is, zit in de zwaartekracht. Melkwegstelsels moeten meer massa en dus meer zwaartekracht hebben dan we in hun gewone materie kunnen zien, anders zouden ze gewoon uit elkaar vliegen. Hun massa en zwaartekracht houden ze bij elkaar.
De korte versie is dat dingen gewoon niet konden zijn zoals ze zijn, tenzij er veel meer massa was dan we kunnen meten.
Het is echt moeilijk te meten
“We kunnen donkere materie gewoon niet direct detecteren.”
Laura Watkins, European Southern Observatory
“We kunnen donkere materie gewoon niet direct detecteren,”, Legt Laura Watkins (European Southern Observatory, Duitsland) uit, die het team leidde dat de analyse uitvoerde. 'Dat is wat leidt tot de huidige onzekerheid in de massa van de Melkweg - je kunt niet nauwkeurig meten wat je niet kunt zien!“
Dus hoe kunnen we iets meten dat we niet kunnen zien? Astronomen zijn druk bezig met het meten van het effect van donkere materie en werken vervolgens achteruit. Maar zelfs met alle moeite die erin wordt gestoken, variëren de schattingen enorm, van zo laag als 500 miljard keer de massa van onze zon, tot 3 biljoen keer de massa van onze zon. Dat is een enorme discrepantie en een echt zeurderig probleem in de astronomie. En het komt door de moeilijkheid om alle donkere materie te meten.
Nu denkt een nieuwe studie onder leiding van Laura Watkins van de European Southern Observatory dat ze nog niet zo ver zijn gekomen om de donkere materie en dus de hele massa van de Melkweg te meten. Hun nummer?
Ze zeggen dat de Melkweg 1,5 biljoen keer zoveel massa bevat als onze zon, of 1,5 biljoen zonsmassa's, binnen een straal van 125.000 lichtjaar van het galactische centrum.
De studie is gebaseerd op de tweede gegevensversie van de Gaia-missie van de European Space Agency. De auteurs combineerden het met observaties van het werkpaard Hubble Space Telescope.
Laten we eens kijken hoe astronomen de massa van de Melkweg meten.
Astronomen kunnen niet zomaar steekproeven van sterren nemen en dan extrapoleren. Dat werkt niet omdat ze niet alle donkere materie kunnen zien. Dus meten ze andere dingen. En dankzij de Gaia-missie is er al een hoop gemeten voor hen.
Ga Gaia en Globular Clusters binnen
Gaia is de missie van ESO om een 3D-kaart van de Melkweg te maken. Het is een ambitieuze missie, maar het heeft geweldige resultaten opgeleverd. Gaia heeft de positie- en radiale snelheid van ongeveer een miljard sterren in de Melkweg en in de lokale groep gemeten. Dit is ongeveer één procent van de sterren in ons sterrenstelsel. Dat klinkt misschien niet veel, maar de nauwkeurigheid van de metingen is ook erg belangrijk, vooral als het gaat om het meten van donkere materie.
Sommige van de ongeveer een miljard sterren die Gaia heeft gemeten, bevinden zich in de bolhopen die zich dicht bij de Melkweg bevinden. Bolvormige sterrenhopen zijn bolvormige verzamelingen van sterren, waarvan er ongeveer 150 in een baan om de Melkweg draaien. Het belangrijkste is dat hoe groter het sterrenstelsel is, hoe sneller de bolvormige sterrenhopen in een baan om de aarde draaien. En Gaia heeft ons nauwkeurigere metingen van hun snelheid gegeven dan ooit tevoren.
“Hoe groter een sterrenstelsel, hoe sneller de sterrenhopen bewegen onder de aantrekkingskracht van de zwaartekracht.“
N. Wyn Evans, Universiteit van Cambridge, VK.
“Hoe groter een sterrenstelsel, hoe sneller de sterrenhopen bewegen onder de aantrekkingskracht van de zwaartekracht”, Legt N. Wyn Evans (Universiteit van Cambridge, VK) uit. 'De meeste eerdere metingen hebben de snelheid gevonden waarmee een cluster nadert of zich terugtrekt van de aarde, dat is de snelheid langs onze gezichtslijn. We konden echter ook de zijwaartse beweging van de clusters meten, waaruit de totale snelheid en daarmee de galactische massa kan worden berekend.“
De Hubble helpt uit
Hoe verder weg de bolhoop, hoe meer ze ons vertellen over de massa van de Melkweg. Hoewel Gaia de uiterst nauwkeurige snelheidsmetingen van de sterrenhopen leverde, was het de eerbiedwaardige Hubble-ruimtetelescoop die sterrenstelsels tot op 130.000 lichtjaar van de aarde mat, wat een grote nauwkeurigheid toevoegt aan de nieuwe massameting voor de Melkweg.
“Wereldwijde clusters strekken zich uit tot een grote afstand, dus ze worden beschouwd als de beste tracers die astronomen gebruiken om de massa van ons sterrenstelsel te meten”, Zegt Tony Sohn (Space Telescope Science Institute, VS), die de Hubble-metingen leidde.
“We hadden het geluk zo'n geweldige combinatie van gegevens te hebben,”, Legt Roeland P. van der Marel (Space Telescope Science Institute, USA) uit. 'Door Gaia's metingen van 34 bolvormige sterrenhopen te combineren met metingen van 12 verder weg gelegen sterrenhopen van Hubble, konden we de massa van de Melkweg vastpinnen op een manier die onmogelijk zou zijn zonder deze twee ruimtetelescopen.“
Waarom het uitmaakt
Dus wat nu?
De massa van de Melkweg is meer dan alleen een nieuwsgierigheid, het is een intrinsiek en belangrijk onderdeel van veel grotere vragen. Het gehalte aan donkere materie van een sterrenstelsel is gekoppeld aan de vorming en groei van structuren in het heelal.
Deze nauwkeurigere meting van de massa van de Melkweg helpt ons ons thuisstelsel en zijn plaats in de kosmos te begrijpen.
Niet slecht.
Bronnen:
- Onderzoekspaper: Bewijs voor een tussenmassa van de Melkweg uit Gaia DR2 Halo bolvormige clusterbewegingen
- Persbericht: Hubble en Gaia wegen nauwkeurig de Melkweg
