روش اندازه‌گیری وزن کهکشان، به‌ویژه کهکشان میزبان

محاسبه‌ی جرم کهکشان‌ها می‌تواند دانشمندان را یک قدم به پی بردن به ماهیت ماده‌ی تاریک نزدیک‌تر کند.

شاید محاسبه‌ی جرم یک کهکشان به نظر پیچیده و مبهم برسد؛ اما به عقیده‌ی دانشمندان این محاسبات می‌توانند کلیدی برای رمزگشایی از ماهیت فرار ماده‌ی تاریک باشد. براساس پژوهشی تحت سرپرستی ایکتا پاتل در دانشگاه آریزونا، روشی جدید برای تخمین جرم کهکشان‌ها به‌ویژه برای مجموعه‌ی داده‌های بزرگ به دست آمده است که می‌تواند نویدبخش نتایج‌ دقیق‌تر و مطمئن‌تر در بررسی‌های آینده باشد. این بررسی که در مجله‌ی Astrophysical منتشر شده اولین پژوهشی است که برای رسیدن به جرم کهکشان راه‌ شیری با شبیه‌سازی‌های گسترده‌ی کامپیوتری به ترکیب حرکت‌های سه‌بعدی کهکشان‌های دورتادور راه شیری می‌پردازد.

رسیدن به جرم دقیق کهکشان می‌تواند به پرده‌برداری از راز‌های مرتبط با ساختار کهکشان کمک کند. بر اساس مدل‌های کیهانی فعلی، ماده‌ی مرئی کهکشان مثل ستاره‌ها، گاز و غبار تقریبا ۱۵ درصد جرم کیهان را تشکیل می‌دهند. ۸۵ درصد باقی‌مانده را ماده‌ی تاریک تشکیل می‌دهد، بخش اسرارآمیزی که هرگز دیده نشده است و بخش عمده‌ای از ویژگی‌های فیزیکی آن هم به‌صورت ناشناخته باقی‌مانده‌اند. بیشترین بخش جرم کهکشان (به‌خصوص ماده‌ی تاریک) در حلقه‌ی نورانی اطراف آن (هاله‌ی کهکشانی) قرار دارد، هاله‌ی کهکشان بخش وسیعی شامل تعداد اندکی ستاره‌ را تشکیل می‌دهد و شکل اصلی آن هم ناشناخته و مبهم است.

_{این تصویر تفسیر هنرمند از ادغام یک کهکشان ماهواره‌ای با کهکشان میزبان آن است: رشته‌های قوس ستاره‌ها که بالای کهکشان راه شیری در حال گردش هستند، در واقع آثار کهکشان‌ها و خوشه‌های ستاره‌ای هستند که براثر فشارهای جاذبه‌ای کهکشانی در طی میلیاردها سال خرد شده و از هم پاشیده‌اند. با توسعه‌ در بخش‌های آسمان شمالی، رشته‌ها در فاصله‌ای بین ۱۳٬۰۰۰ تا ۱۳۰٬۰۰۰ سال نوری از زمین قرار می‌گیرند.}

در مدل کیهانی جهانی (که تقریبا همه‌جا موردقبول است) رشته‌هایی از ماده‌‌ی تاریک دورتادور کیهان می‌چرخند و بخشی از ماده‌ی روشن (معمولی) را هم همراه با خود دارند. در نقطه‌ی برخورد آن‌ها، گاز و غبار انباشته شده و با کهکشان‌ها ادغام می‌شوند. طی میلیاردها سال، کهکشان‌های کوچک در کهکشان‌های بزرگ‌تر ادغام می‌شوند و با افزایش اندازه‌، کشش جاذبه‌ای آن‌ها در فضا هم بیشتر و بیشتر می‌شود و مجموعه‌ای از کهکشان‌های کوچک دیگر را جذب می‌کنند، این کهکشان‌های کوچک بعدها به کهکشان‌های ماهواره‌ای تبدیل می‌شوند. مدار آن‌ها هم براساس کهکشان میزبان آن‌ها تعیین می‌شود. درست‌مثل کشش جاذبه‌ای خورشید که حرکت سیاره‌ها و اجرام را در منظومه‌ی شمسی هدایت می‌کند. پاتل، دانشجوی سال چهارم دانشگاه ستاره‌شناسی UA و رصدخانه‌ی استوارد می‌گوید:

می‌دانیم جهان در حال انبساط است؛ اما وقتی دو کهکشان به‌اندازه‌ی کافی به یکدیگر نزدیک می‌شوند، جاذبه‌ی مشترک آن‌ها بیشتر از تأثیر جهان در حال انبساط است، بنابراین درست مثل کهکشان راه‌شیری و نزدیک‌ترین همسایه‌ی آن، کهکشان آندرومدا حول یک مرکز مشترک به دور یکدیگر می‌چرخند.

اگرچه آندرومدا با سرعت ۱۱۰ کیلومتربرثانیه به کهکشان راه‌شیری نزدیک می‌شود؛ ولی این دو کهکشان از ۴.۵ میلیارد سال پیش تاکنون در یکدیگر ادغام نشده‌اند. به گفته‌ی پاتل، ردیابی حرکت آندرومدا مثل مشاهده‌ی رشد موی انسان از ماه است. معمولا اندازه‌گیری وزن کهکشان آن هم تنها با رصد، کار دشواری است (البته این دشواری در مورد کهکشان میزبان مثل راه شیری کمتر است) به همین دلیل پژوهشگرها جرم یک کهکشان را با بررسی حرکت اجرام به دور کهکشان میزبان (براثر کشش گرانشی) اندازه‌گیری می‌کنند. به این اجرام، ردیاب گفته می‌شود؛ زیرا جرم کهکشان میزبان خود را ردیابی می‌کنند، این اجرام می‌توانند کهکشان‌های ماهواره‌ای یا رشته‌های ستاره‌ای باقی‌مانده از کهکشان‌های سابق باشند که تقریبا سالم و دست‌نخورده باقی‌مانده‌اند.

برخلاف روش‌های متداول گذشته‌ی تخمین جرم کهکشان‌ها، مثل اندازه‌گیری سرعت و موقعیت ردیاب‌ها، پاتل و همکاران در روش پیشنهادی خود از تکانه‌ی زاویه‌ایاستفاده می‌کنند، این روش نتایج مطمئن‌تری را ارائه می‌دهد زیرا تکانه‌ی زاویه‌ای به‌مرور زمان تغییر نمی‌کند. تکانه‌ی زاویه‌ای اجرام موجود در فضا به فاصله و سرعت آن وابسته است. از آنجا که کهکشان‌های ماهواره‌ای تمایل دارند در مدارهای بیضوی به دور کهکشان راه‌شیری بچرخند، سرعت آن‌ها با نزدیک شدن به راه شیری افزایش پیدا می‌کند و با دور شدن کاهش می‌یابد. صرف‌نظر از اینکه ردیاب در نزدیک‌ترین فاصله یا دورترین فاصله‌ (نسبت به کهکشان) در مدار خود قرار داشته باشد، تکانه‌ی زاویه‌ای در اثر سرعت و موقعیت به وجود می‌آید و بنابراین تغییر چشم‌گیری نخواهد داشت. پتال می‌گوید:

فرض کنید یک اسکیت‌باز ماهر بخواهد روی یک پای خود به‌طور کامل بچرخد. او با تکیه بر بازوهای خود می‌تواند سریع‌تر بچرخد. به‌بیان‌ دیگر، سرعت اولیه‌ی او تغییر می‌کند؛ اما تکانه‌ی زاویه‌ای تمام مدت ثابت می‌ماند.

این پژوهش برای اولین بار به مشاهده‌ی حرکت‌های کاملا سه‌بعدی ۹ کهکشان ماهواره‌ای راه‌شیری (از میان پنجاه کهکشان ماهواره‌ای شناخته‌شده) می‌پردازد و تکانه‌ی زاویه‌ای آن‌ها را با یک مدل کیهانی شبیه‌سازی‌شده شامل ۲۰٬۰۰۰ کهکشان میزبان مقایسه می‌کند. کهکشان‌های شبیه‌سازی‌شده روی‌هم‌رفته میزبان تقریبا ۹۰٬۰۰۰ کهکشان ماهواره‌ای هستند.

جرم کهکشان راه شیری برابر با ۰.۹۶ تریلیون جرم خورشیدی تخمین زده شد. تخمین‌های قبلی جرم کهکشان راه‌شیری بین ۷۰۰ میلیارد و ۲ تریلیون جرم خورشیدی بودند. نتایج نشان می‌دهند جرم کهکشانآندرومدا (M31) خیلی بیشتری از راه‌شیری است.

پژوهشگرها امیدوارند تا از این روش برای داده‌های درحال‌ توسعه استفاده کنند که در بررسی‌های کهکشانی فعلی و آینده از جمله رصدهای فضایی گایا و LSST (تلسکوپ تحقیقاتی بزرگ سینوپتیک) در دسترس قرار می‌گیرند. به نقل از یکی از مؤلفین مقاله، گورتینا بسلا (استادیار ستاره‌شناسی در UA) محدودیت‌های موجود بر جرم راه‌شیری، با دستیابی به مشاهدات و اندازه‌گیری‌ سرعت کهکشان‌های ماهواره‌ای کاهش می‌یابند و با شبیه‌سازی‌های دقیق‌تر نسل‌های بعدی دانشمندان به آمار بهتری در مورد ردیاب‌های کم جرم (معروف به کهکشان‌های Ultra Faint) دست پیدا می‌کنند. بسلا می‌گوید:

با این روش می‌توانیم از اندازه‌گیری‌های متعدد سرعت کهکشان‌های ماهواره‌ای استفاده کنیم و بهفمیم کدام نظریه‌ی ماده‌ی تاریک می‌تواند توصیفی پایدار از جرم هاله‌ی راه‌شیری داشته باشد. این پاسخ به توسعه‌ی فعلی مجموعه داده‌های عینی و قابلیت‌های عددی وابسته است.