Отойдите подальше от городских огней, посмотрите на небо, и вы увидите одно из чудес космоса своими глазами — яркую полосу звезд, которая представляет собой нашу галактику Млечный Путь. Наш галактический дом обширен и красив, но все еще мало изведан — например, мы не знаем, сколько он весит. Не смотря на десятилетия расчетов, астрономы все еще имеют очень приблизительные результаты — от 700 миллиардов до 2 триллионов масс Солнца.

Подписаться на iGuides в Telegram, чтобы узнать обо всем первым — t.me/iguides

Способов взвешивания других галактик много: например, с помощью гравитационного линзирования. Суть метода заключается в том, что гравитация действует на абсолютно все, даже на свет (который представляет собой поток частиц — фотонов). Разумеется, с небольшими объектами типа планет это не заметно, но вот звезды, а тем более галактики, уже вполне заметно искривляют свет, и чем больше искривление — тем больше масса, что и позволяет определить последнюю. 

Также есть более простой (но менее точный) метод — использование вращения звезд вокруг галактического ядра. Если взять звезду на окраине галактики, то ее центростремительное ускорение будет зависеть от массы вещества внутри ее орбиты. Рассчитать ускорение из наблюдений нетрудно, что и дает возможность получить массу галактики.


Пример искривления света под действием гравитации — гравитационная линза.

Но, очевидно, чтобы воспользоваться способами выше, нужно находиться вне интересующей вас галактики — внутри нее искривление света от нее же не будет заметно, ровно также становится проблемой нахождение звезды на окраине галактики и вычисление ее скорости (так как Солнечная система тоже вращается вокруг центра Млечного пути). «Это похоже на попытку провести перепись населения страны, причем вы не можете пользоваться Интернетом и не можете покинуть город, в котором вы живете», — сказала астрофизик Экта Патель из Университета штата Аризона в Тусоне.

Не упрощает ситуацию и то, что большая часть галактики (по массе) невидима. По словам Патель, темная материя — загадочное вещество, которое не выделяет никакого света — составляет около 85% нашего Млечного Пути. Так что простой подсчет массы всех звезд в нашей галактике даст очень далекий от правды результат.

Поэтому, по словам Патель, астрофизики обычно обращаются к уравнениям гравитации, полученным Исааком Ньютоном больше 300 лет назад. Они говорят нам, что скорость и расстояние, с которыми меньшее тело вращается вокруг большего, связаны с массой большего тела.

Один из методов, опубликованных в «Астрофизическом журнале», заключается в том, чтобы взглянуть на карликовые галактики в сотнях тысяч световых лет от Земли, которые движутся вокруг Млечного пути так же, как и планеты вращаются вокруг звезд. Но есть проблемы с этими спутниковыми галактиками. «Их орбиты составляют миллиарды лет», — сказала Патель, имея ввиду, что за несколько лет они едва ли сдвинутся, и исследователям будет нелегко определить их орбитальную скорость. 


Карликовые спутниковые галактики вокруг Млечного пути.

В своем исследовании Патель и ее коллеги попробовали новый метод взвешивания галактик. Они провели на суперкомпьютере моделирование виртуальных галактик с небольшими спутниковыми галактиками вокруг них, причем учитывались многие аспекты реального космоса. Примерно 90 000 из этих смоделированных спутниковых галактик затем сравнивались с данными о девяти реальных галактиках, вращающихся вокруг Млечного Пути. Команда выбрала те из них, чьи орбитальные свойства наиболее близко соответствовали реальным спутниковым галактикам Млечного Пути, что и дало им оценку массы родительской галактики.

В итоге, Млечный Путь оказалась весом в 960 миллиардов масс Солнца. Патель сказала, что ее результат находится где-то в середине предыдущих оценок, хотя и есть возможность повысить точность. Для этого можно использовать данные, полученные спутником GAIA Европейского космического агентства, который недавно обеспечил чрезвычайно точные измерения орбитальных свойств 30 карликовых галактик, вращающихся вокруг Млечного пути. Использование этих данных наряду с космологическими симуляторами позволит еще больше уточнить массу нашего галактического дома.

По словам Патель, знание массы нашей галактики поможет многим астрономам. Во-первых, они смогут лучше вычислить орбиты спутниковых галактик, поскольку они зависят от массы Млечного Пути. Чем тяжелее галактика, тем больше спутников она имеет, и до сих пор было обнаружено около 50 галактик, вращающихся вокруг Млечного Пути. Поскольку мы точно не знаем, сколько весит наша галактика, ученые не могут быть точно уверены, сколько спутниковых галактик они должны еще найти. Наконец, истинный вес Млечного Пути поможет исследователям узнать, какую долю его массы составляет темная материя по сравнению с обычным веществом.

Патель надеется, что будущие исследования и более точные данные в конечном итоге дадут нам нужную точность. «Я думаю, это вопрос ближайших 10 или 20 лет», — сказала она.