ทางช้างเผือกชั่งน้ำหนักในแสงโดยใช้เทคนิคที่สึกหรอ

ศิลปะทางช้างเผือก

ความประทับใจของศิลปินคนนี้เกี่ยวกับกาแล็กซีทางช้างเผือก บ้านดาราจักรของโลก รวมถึงดวงดาวและวัตถุสว่างอื่นๆ อีกมากมาย ทางช้างเผือกยังครอบงำด้วยรัศมีของสสารมืด (แสดงเป็นสีน้ำเงิน) การวัดมวลของดาราจักรช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจมากขึ้นว่ารัศมีที่มองไม่เห็นนั้นเป็นอย่างอื่น (เครดิตรูปภาพ: ESO / L. Calcada)





การวัดมวลของดาราจักรทางช้างเผือกครั้งใหม่แสดงให้เห็นว่าบ้านดาราจักรของโลกเบากว่าการประมาณการครั้งก่อนๆ เล็กน้อยเล็กน้อย แต่นักวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังงานวิจัยชิ้นใหม่นี้กล่าวว่าวิธีนี้เป็นสิ่งสำคัญ

NS ทางช้างเผือก ประกอบด้วยดวงดาว ดาวเคราะห์ เมฆก๊าซ และสวนสัตว์ของวัตถุและลักษณะอื่นๆ นอกจากนี้ยังล้อมรอบด้วยรัศมีของสสารมืด ซึ่งเป็นสสารลึกลับที่พบได้ทั่วไปในจักรวาลมากกว่าสสาร 'ปกติ' ถึงห้าเท่า แต่ไม่มีปฏิกิริยากับแสง สสารมืดจึงเป็นเรื่องยากมากสำหรับนักดาราศาสตร์ที่จะศึกษา

การวัดมวลแบบใหม่พบว่าทางช้างเผือกมีมวลระหว่าง 400 พันล้านถึง 780 พันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ การวัดนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้ทราบว่ารัศมีของทางช้างเผือกมีสสารมืดมากน้อยเพียงใด และความรู้นั้นสามารถเผยแพร่ออกไปในหลายแง่มุมของดาราศาสตร์ที่ตัดกับการศึกษาสสารมืด [ ภาพถ่ายอันน่าทึ่งของกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา (แกลเลอรี่) ]



ความลับดำมืด

สสารมืดไม่แผ่รังสี สะท้อน หรือดูดซับแสง นักดาราศาสตร์แทบมองไม่เห็นมัน โดยจะเปิดเผยตัวเองผ่านแรงโน้มถ่วงเท่านั้น กลุ่มของสสารมืดสามารถหักเหแสงดาวได้เหมือนที่หลุมดำทำ ในปรากฏการณ์ที่เรียกว่าเลนส์โน้มถ่วง นอกจากนี้ การเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์และวัสดุอื่นๆ ที่สังเกตได้ภายในดาราจักรขนาดใหญ่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยการมีอยู่ของสสารปกติเพียงอย่างเดียว จะต้องมีสสารที่มองไม่เห็นจำนวนมากที่ใช้แรงโน้มถ่วงบนดาราจักรเหล่านั้นด้วย

Gwendolyn Eadie, Ph.D. กล่าวว่า 'การวิจัยทางดาราศาสตร์มีหลายแง่มุมที่แตกต่างกันซึ่งสสารมืดมีความสำคัญ ผู้สมัครในสาขาฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย McMasters ในออนแทรีโอ แคนาดา และผู้เขียนร่วมในงานวิจัยชิ้นใหม่นี้กล่าวกับ guesswhozoo.com

แต่คำถามสำคัญยังคงอยู่เกี่ยวกับสารลึกลับนี้



'แม้ว่าเราจะรู้ว่าสสารมืดควรอยู่ที่นั่น [และ] เราคิดว่าควรจะอยู่ที่นั่น แต่อัตราส่วนของสสารมืดต่อสสารเรืองแสงในกาแลคซีบางแห่งอาจอยู่ภายใต้การถกเถียงกัน' Eadie กล่าว

การวัดมวลของทางช้างเผือก ได้แก่ มวลของสสารมืดรัศมี . Eadie บอกกับ guesswhozoo.com ว่า การเพิ่มมวลของทางช้างเผือกที่ปรับปรุงแล้วลงในการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ของดาราจักร (และอื่น ๆ ที่คล้ายกัน) 'จะเป็นการทดสอบความเข้าใจของเราว่าเอกภพมีวิวัฒนาการอย่างไรและดาราจักรก่อตัวอย่างไรเมื่อมีสสารมืด' นั่นหมายความว่าการทำความเข้าใจสภาพแวดล้อมของสสารมืดในท้องถิ่นสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจบทบาทของสสารมืดในภูมิทัศน์ของจักรวาลที่ใหญ่ขึ้น

ในการตรวจวัดมวลทางช้างเผือกแบบใหม่ นักวิทยาศาสตร์ได้พิจารณาว่ามวลมหาศาลอื่นๆ เคลื่อนที่รอบดาราจักรอย่างไร นี่เป็นแนวทางทั่วไป และในกรณีนี้ นักวิจัยมุ่งเน้นไปที่วัตถุที่เรียกว่ากระจุกดาวทรงกลม หรือกลุ่มดาวหนาแน่นที่มีขนาดไม่ใหญ่พอที่จะเป็นดาราจักร กระจุกดาวทรงกลมที่รู้จักกันทั้งหมด 157 กระจุกในทางช้างเผือก และมวลของดาราจักรมีอิทธิพลต่อการเคลื่อนที่ของกระจุกดาวแต่ละกระจุก ราวกับว่าพวกมันเป็นลูกบอลบนเชือก ถ้าสายอักขระมองไม่เห็น การเคลื่อนไหวของลูกบอลจะยังคงเปิดเผยอิทธิพลของสายอักขระ



แต่วิธีการที่ใช้การเคลื่อนที่ของกระจุกดาวทรงกลมต้องการข้อมูลที่แสดงให้เห็นว่าคลัสเตอร์เหล่านั้นเคลื่อนที่อย่างไร และข้อมูลนั้นไม่เหมือนกันทั่วทั้งกระดาน Eadie อธิบายในการแถลงข่าว กระจุกบางกลุ่มอยู่ห่างไกลหรืออยู่ในตำแหน่งที่ยากต่อการวัดการเคลื่อนที่ในทุกทิศทาง แม้ว่าจะเป็นไปได้ที่จะเห็นว่าดาราจักรเหล่านี้เคลื่อนตัวเข้าหาหรืออยู่ห่างจากโลกได้เร็วเพียงใด การวัดการเคลื่อนที่ข้ามท้องฟ้าก็อาจทำได้ยาก เพราะดูเหมือนดาราจักรจะเคลื่อนที่ช้ามาก (อย่างน้อยก็เมื่อเทียบกับช่วงชีวิตของมนุษย์) Eadie กล่าว

ทางช้างเผือก ดาราจักรบ้านเราในอวกาศ เป็นดาราจักรขนาดใหญ่ที่มีดวงอาทิตย์ 4 แสนล้านดวง อย่างน้อยก็มีดาวเคราะห์หลายดวง และมีหลุมดำมวลมหาศาลถึง 4 พันล้านดวงที่ใจกลาง ดูว่ากาแล็กซีทางช้างเผือกของเราทำงานอย่างไรในอินโฟกราฟิก guesswhozoo.com นี้

ทางช้างเผือก ดาราจักรบ้านเราในอวกาศ เป็นดาราจักรขนาดใหญ่ที่มีดวงอาทิตย์ 4 แสนล้านดวง อย่างน้อยก็มีดาวเคราะห์หลายดวง และมีหลุมดำมวลมหาศาลถึง 4 พันล้านดวงที่ใจกลาง ดูว่ากาแล็กซีทางช้างเผือกของเราทำงานอย่างไรในอินโฟกราฟิก guesswhozoo.com นี้(เครดิตรูปภาพ: Karl Tate, guesswhozoo.com Contributor)

ปัญหายิ่งซับซ้อนมากขึ้นไปอีก เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ต้องหาการเคลื่อนที่ของกระจุกดาวทรงกลมที่สัมพันธ์กับศูนย์กลางของดาราจักร แต่ดวงอาทิตย์อยู่ห่างจากศูนย์กลางนั้นมาก Eadie กล่าว ดังนั้น การวัดการเคลื่อนที่ของกระจุกดาวทรงกลมทั้งหมดจะต้อง 'แปล' ไปที่ใจกลางดาราจักร และทำได้ยากเมื่อการวัดนั้นไม่สมบูรณ์ (เช่น เมื่อไม่มีการวัดการเคลื่อนที่ของกระจุกดาวทรงกลมข้าม ท้องฟ้า). ด้วยเหตุนี้ เทคนิคมากมายในการวัดมวลของทางช้างเผือกจึงไม่สามารถใช้ข้อมูลทั้งหมดที่มีอยู่ได้ Eadie กล่าวในการแถลงข่าว

อย่างไรก็ตาม เทคนิคใหม่นี้ใช้ข้อมูลที่มีอยู่เกือบทั้งหมดในการวัดคลัสเตอร์ทรงกลม Eadie กล่าว เธอและเพื่อนร่วมงานของเธอประสบความสำเร็จโดยใช้เทคนิคทางสถิติที่เรียกว่าแบบจำลองเบย์เซียนแบบลำดับชั้น รายละเอียดมีขนดกมาก แต่โดยพื้นฐานแล้วเทคนิคจะดีกว่าในการรวมการวัดที่ไม่สมบูรณ์หรือไม่แน่นอนสูง Eadie กล่าว ผลลัพธ์สุดท้ายยังคำนึงถึงความไม่แน่นอนในการวัดเหล่านั้นด้วย ดังนั้นหากการวัดไม่น่าเชื่อถือมาก จะมีผลกระทบต่อผลลัพธ์สุดท้ายน้อยลง Eadie กล่าว

ความพยายามครั้งก่อนในการวัดมวลของทางช้างเผือกผ่านกระจุกดาวทรงกลมใช้ข้อมูลเกี่ยวกับกระจุกดาวทรงกลมเพียง 89 ดวงจาก 157 กระจุกดาว และไม่ได้รวมความไม่แน่นอนของการวัดเหล่านี้ มันได้ผลลัพธ์จากมวลดวงอาทิตย์ประมาณ 680 พันล้านดวง ซึ่งอยู่ในช่วงของการวัดใหม่ ซึ่งถือเป็นเรื่องที่น่ายินดี Eadie กล่าว [ แกลลอรี่: สสารมืดทั่วทั้งจักรวาล ]

'ผลลัพธ์เหล่านี้ [ยัง] ให้กำลังใจด้วย และวิธีการโดยเฉพาะอย่างยิ่งคือกำลังใจ' เธอกล่าว 'ความสามารถในการรวมความไม่แน่นอนของการวัดเหล่านี้เข้าด้วยกันอย่างมีความหมายเป็นสิ่งที่อาจมีนัยยะกว้างสำหรับพื้นที่อื่น ๆ ของดาราศาสตร์เช่นกันซึ่งการวัดมีความไม่แน่นอนอยู่เสมอและเรามักจะมีการวัดที่ไม่สมบูรณ์'

เทคนิคใหม่นี้อาจช่วยแก้ปัญหาสำคัญอื่นๆ ที่นักดาราศาสตร์เผชิญในการวัดมวลของดาราจักร ไม่ชัดเจนเสมอไปว่าดาราจักรหยุดอยู่ที่ใดและพื้นที่ที่เหลือเริ่มต้นขึ้น การตัดสินใจเกี่ยวกับรัศมีของ ทางช้างเผือก ก็เหมือนกับการพยายามหา 'ขอบ' ของก้อนเมฆที่เล็กมาก การวัดมวลของดาราจักรแบบต่างๆ คำนวณจากระยะทางที่ต่างกันจากศูนย์กลางดาราจักร ทำให้ยากต่อการเปรียบเทียบผลลัพธ์ ตามข้อมูลของ Eadie

ผลลัพธ์ใหม่นี้ให้ 'โปรไฟล์มวล' ที่ให้ช่วงของมวลที่ควรจะเป็นในระยะทางที่แตกต่างจากศูนย์กลางทางช้างเผือก โปรไฟล์แสดงให้เห็นว่ามวลของดาราจักรอยู่ระหว่าง 400 พันล้านถึง 580 พันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ โดยมีรัศมี 125 กิโลพาร์เซกส์ (ประมาณ 407,695 ปีแสง หรือ 3.8 x 1018กิโลเมตร) หากรัศมีนั้นขยายไปถึงสิ่งที่เรียกว่า 'รัศมีไวรัส' ซึ่งเท่ากับ 179 กิโลพาร์เซก (583,820 ปีแสง หรือ 5.52 x 10)18กิโลเมตร) จากนั้นการประมาณมวลจะอยู่ระหว่าง 470 พันล้านถึง 780 พันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ โปรไฟล์มวลยังรวมถึงความไม่แน่นอนในการวัดเหล่านั้น ทำให้ชัดเจนว่าการวัดครั้งก่อนทับซ้อนกับการวัดใหม่หรือไม่ Eadie กล่าว

การปรับปรุงที่จะมาถึง

การวัดใหม่ไม่ใช่จุดจบของเรื่อง Eadie บอก guesswhozoo.com ตัวเลขน่าจะเปลี่ยนไปเมื่อนักวิทยาศาสตร์สามารถวัดการเคลื่อนที่ของกระจุกดาวทรงกลมได้ดีขึ้น โครงการที่กำลังดำเนินการเรียกว่า Hubble Space Telescope Proper Motion Collaboration (HSTPROMO) กำลังทำงานเพื่อรับการวัดใหม่หรือการปรับปรุงการวัดสำหรับการเคลื่อนที่ของกระจุกดาวทรงกลมที่อยู่ใกล้เคียง

นอกจากนี้ เทคนิค Bayesian แบบลำดับชั้นยังอาศัยแบบจำลองทางกายภาพของกาแลคซีและการกระจายของกระจุกดาวทรงกลมในกาแลคซี แต่แง่มุมของแบบจำลองเหล่านั้นสามารถปรับปรุงได้ Eadie กล่าว ตัวอย่างเช่น แบบจำลองของกาแลคซีที่ใช้ในการคำนวณมวลใหม่ถือว่ารัศมีของสสารมืดไม่หมุนไปพร้อมกับสสาร 'ปกติ' แต่ข้อสันนิษฐานนั้น 'อาจหรือไม่จริง' Eadie บอกกับ guesswhozoo.com ดังนั้น การปรับปรุงแบบจำลองสามารถช่วยปรับแต่งการวัดมวลได้เช่นกัน เธอกล่าว

Eadie กล่าวเสริมว่าเธอรอคอยที่จะได้รับข้อมูลใหม่จาก ยานอวกาศ Gaia ขององค์การอวกาศยุโรป ซึ่งจะให้การวัดการเคลื่อนที่ของ ดาวนับพันล้านดวงในทางช้างเผือก ; ข้อมูลนั้นยังสามารถนำไปใช้ในการวัดมวลของดาราจักร ซึ่งสามารถนำไปเปรียบเทียบกับการวัดใหม่โดย Eadie และเพื่อนร่วมงานของเธอ

Eadie กล่าวว่าการวิเคราะห์แบบเบย์เซียนแบบลำดับชั้นเป็นเทคนิคทางสถิติที่เป็นที่ยอมรับซึ่งใช้ในระบบนิเวศน์ ชีวสถิติ และจักรวาลวิทยา เธอบอกว่าเธอคิดว่ามันอาจช่วยได้มากสำหรับนักดาราศาสตร์ในยุค 'ข้อมูลขนาดใหญ่' เมื่อเครื่องมืออย่างกล้องโทรทรรศน์สำรวจ Synoptic ขนาดใหญ่จะผลิตข้อมูลเทราไบต์ทุกๆ สองสามวัน

'ฉันคิดว่าเป็นเรื่องดีที่ตอนนี้ [การวิเคราะห์แบบเบย์เซียนแบบลำดับชั้น] เริ่มได้รับความสนใจในด้านดาราศาสตร์' เธอกล่าว 'ในฐานะชุมชน เราเริ่มตระหนักว่าเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการใช้งาน'

ติดตาม Calla Cofield @callacofield . ตามเรามา @Spacedotcom , Facebook และ Google+ . บทความต้นฉบับเกี่ยวกับ guesswhozoo.com .