Астрофізики вкотре знайшли масу Чумацького Шляху: цього разу 890 мільярдів мас Сонця

Галактика Чумацький Шлях. © Dirk Horpe.

За допомогою нової методології аналізу даних по швидкостях руху об'єктів в нашій галактиці астрофізики отримали уточнене значення її маси і оцінки для розподілу її баріонної речовини і темної матерії. Нова методика на основі ймовірнісного аналізу доступної інформації дає значення маси Чумацького Шляху 890 мільярдів сонячних мас, а також дозволяє ввести обмеження для можливих моделей розподілу темної матерії в галактиці.

Дослідницька група з декількох наукових центрів Бразилії і Великобританії розробила нову методологію аналізу доступної інформації щодо розподілу маси і кінематичних параметрів галактики. Використовувалися дані щодо кривої обертання галактики, накопичені за кілька десятиліть з безлічі джерел і зокрема новітня астрометрична інформація з космічного телескопа Європейського космічного агентства Gaia (Gaia DR2, або «другий набір даних» від 2018 року). Методика, що використовує байєсівський ймовірнісний підхід, дозволила отримати узгоджені оцінки для розподілу темної матерії по галактиці і в кінцевому підсумку зробити висновок про її сукупну масу і розміри. Результати досліджень опубліковані в двох пов'язаних роботах міжнародного наукового колективу, перша з яких вийшла у вересні в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, друга поки що доступна як препринт на arXiv.org.

Майже єдиний прямий спосіб вимірювання маси космічного об'єкта, будь то планета, зірка або галактика - це вимірювання його сили тяжіння. Для віддалених тіл висновок про масу цим способом можна зробити, вимірюючи період звернення його супутників. У космічних тіл без супутників визначення маси до епохи космічних польотів було нетривіальним завданням. Так, масу позбавлених супутників Меркурія і Венери впевнено визначили порівняно недавно, при підльоті до них перших космічних станцій. Подібним чином справа йде і з об'єктами на зразок зоряних скупчень і галактик. У випадку з нашою галактикою ми можемо скористатися даними про швидкість обігу зірок навколо її центру. Так, Сонячна система рухається галактикою зі швидкістю близько 220 км/с, при цьому перебуваючи на відстані близько 8 кпс (кілопарсек) від ядра галактики. Навіть з цих даних за допомогою шкільної фізики або третього закону Кеплера можна отримати грубу оцінку маси внутрішньої (по відношенню до нас) частини галактики, що створює саме таку силу тяжіння. У автора зараз вийшло значення близько 100 мільярдів сонячних мас (M_⊙) - грубо в 10 разів менше розкиду значень у Вікіпедії: значна частка маси галактики розташовується за межами орбіти Сонячної системи, до відстаней близько 30 кпс; астрофізики ж оперують доступними кінематичними даними по об'єктах до відстаней 100 - 200 кпс від центру. Структура видимої речовини нашої Галактики (вид з ребра): центральний балдж, диск і «зоряне гало» з шаровими зірковими скупченнями. Відстані в парсеках. Стрілка - розташування Сонячної системи. Ріс. з онлайн-курсу «Основи астрономії» на openedu.ru.

Подібні дані у вигляді відстані до центру і швидкості орбітального переміщення галактикою доступні для багатьох зірок та інших, що рухаються галактикою об'єктів («трейсерів»), - так, крім зірок використовують переміщення міжзоряного газу і космічні мазери в молекулярних хмарах. Всього доступні дані по близько 10 000 таких рухомих об'єктів, що дозволяє відкласти їх на кумулятивному графіку - кривій обертання галактики.

Такі криві отримані і для інших галактик. Цікаво, що для інших не дуже віддалених галактик вимірювання часто виявляються більш однозначними, ніж по нашій галактиці - Чумацькому Шляху: великий розкид даних на деяких ділянках кривий обумовлений тим, що ми намагаємося виміряти швидкості в галактиці, перебуваючи всередині. Тут ситуація схожа на наші можливості вивчення морфології галактики: ми намагаємося спостерігати її, перебуваючи всередині галактичного диска і дивлячись на її об'єкти «з ребра», відповідно майже нічого не можемо сказати про спіральні рукави на протилежному боці від її центру. У цьому відношенні набагато більше інформації можна отримати, розглядаючи інші спіральні галактики з боку, особливо повернуті до нас плашма - наприклад, Туманність Андромеди, найближчу до нас другу велику спіральну галактику Місцевої групи галактик.

Ці криві є основним інструментом дослідження розподілу маси в різних структурних частинах галактик. У сучасних моделях окремо враховують різні за своїми характеристиками компоненти: центральна частина галактики, або «балдж», де компактно розташовується значна частина зоряної маси; зоряний галактичний диск і газове гало. Поряд з аналізом кінетичної кривої для визначення маси використовується і безпосередній підрахунок - оцінка видимої маси, укладеної в зірках в різних частинах галактики (підрахунок щільності речовини виходячи з видимого розподілу зірок). Виявляється, видимий розподіл маси істотно суперечить формі таких кривих як для нашої, так і для інших галактик. Якби маса галактики полягала в зоряній речовині і газі (у баріонній матерії), об'єкти на периферії галактик рухалися б значно повільніше - у міру видалення від центру швидкість руху зірок зменшувалася б приблизно назад пропорційно кореню відстані до ядра. У першому наближенні в цьому можна легко переконатися виходячи з ньютонівського закону для сили тяжіння, що діє на зірку і прийнявши, що істотна маса зірок розташовується в ядрі галактики на відстанях близько 2 - 3 кілопарсек. Явна невідповідність такої поведінки спостереженням і призвела до моделей ненаблюдаемой, але володіє масою «темної матерії», що становить близько 85 - 95% істинної маси галактики і володіє своїм розподілом у просторі. Крива обертання Галактики за експериментальними даними з різних джерел з урахуванням розкиду даних. Зі змінами з: E.V.Karukes et al JCAP09(2019)046. На вставці - «ідеальна» крива обертання для однієї з віддалених галактик. Криві, що збувають, - тільки на основі «видимої» маси зірок і газу.

По галактиці Чумацького Шляху доступна значна кількість астрометричних даних, отриманих на різних інструментах і в різний час. Узгодження цих даних і зведення їх в один набір досить складно - кожен набір характеризується своїм діапазоном випадкових і систематичних помилок, які необхідно враховувати для визначення «правдоподібності» тих чи інших кількісних оцінок маси. Автори дослідження застосували ймовірнісний підхід до обробки наявної інформації на основі байєсовської статистики. Цей підхід розглядає різноманітні між собою «апріорні» і «апостеріорні» розподілу ймовірностей будь-яких величин, в даному випадку - параметрів астрофізичних моделей розподілу видимої речовини і темної матерії в галактиці. Сенс байєсовського підходу до даних полягає в можливості динамічного «оновлення» спочатку передбачуваних ймовірностей і параметрів виходячи з нових вимірювань, тим самим - самоузгоджене уточнення моделі в міру надходження нової інформації.

Більш ранні оцінки маси Чумацького Шляху за різними методиками давали значення в діапазоні від 500 мільярдів до 3 трильйонів сонячних мас. Чергова оцінка, цього разу в 890 мільярдів M_⊙, не ставить крапку в цьому питанні. Так, у публікації 2019 р. іншої дослідницької групи в The Astrophysical Journal оцінка маси за тими ж даними Gaia DR2 дає 1,5 трильйона M_⊙ - майже в два рази більше. Однак принагідно, на відміну від елементарної матстатистики з фіксованими параметрами, пропонується систематичний облік вже отриманої інформації для розробки моделей розподілу речовини в галактиці.