Астрономам доводиться проявляти винахідливість, розмірковуючи про те, скільки матерії у Всесвіті. У наші дні вчені шукають спосіб виміряти масу темної матерії, яка, як відомо, існує у всесвіті. І паралельно пропонують новий спосіб «зважити» Чумацький Шлях. Для чого це потрібно? Щоб зрозуміти еволюційний шлях спостережуваних нами галактик.
Астрономам доводиться проявляти винахідливість, розмірковуючи про те, скільки матерії у Всесвіті. Окрему галактику можна поставити на промислові ваги (навіть якщо б була така можливість, як вважав Ісаак Ньютон, для обчислення її маси довелося б враховувати вплив земного тяжіння). Є класичний спосіб визначити кількість матерії в такому об’єкті як супутник планети, планета чи зірка. Треба виміряти її гравітаційну взаємодію з іншими об’єктами. У цих ранніх розрахунках з’єднували ньютонівський закон всесвітнього тяжіння та закони руху планет Йоганна Кеплера. Мова йде про співвідношення орбітальної швидкості планети і відстані до цього іншого об’єкта.
Коли астрономи почали застосовувати ці розрахунки до галактик, вимірюючи орбітальну швидкість їх зірок, результати у них виявилися дивні. Зовні здається, що велика частина маси галактики знаходиться ближче до центру, а тому зосереджені в центрі зірки повинні обертатися по орбіті швидше тих, що розташовані по краях. (Для порівняння можна використовувати наші планети. У Меркурія найвища орбітальна швидкість — 172 332 кілометри на годину, а у Нептуна найнижча — 19 548 кілометрів на годину. Але це через те, що 99,9% маси нашої Сонячної системи зосереджена в Сонці).
У 1970-х роках астроном Віра Рубін (Vera Rubin) та її колега Кент Форд (Kent Ford) вели спостереження за галактикою Андромеди — найближчої до нас великої галактики. Вони зробили висновок, що наведене вище припущення не відповідає реальному стану речей. Зірки по краях цієї галактики переміщалися майже з такою ж швидкістю, що і в центрі. Зовнішні зірки оберталися по орбіті настільки швидко, що їх рух має по ідеї розірвати галактику на частини. Рубін на підставі своїх спостережень зробила припущення про те, що там є маса, яку ми не бачимо (темна матерія), і що вона розподілена по краях, чим і пояснюється такий рух зірок. Невидима матерія створювала певні труднощі для вимірювання маси галактик.
Зараз астрономам необхідно доопрацювати свої методи, щоб розв’язувати проблему з темною матерією, яка, як відомо, існує у всесвіті. Роблячи минулої весни презентацію на конференції Американського астрономічного товариства, аспірант університету Аризони Екта Пейтел (Ekta Patel) представила методику, яка може істотно підвищити точність розрахунків маси. Мета її команди полягала в тому, щоб вирішити проблеми з обчисленням маси темної матерії, а також виконати унікальну завдання — виміряти масу Чумацького Шляху. На відміну від вимірювання, скажімо, галактики Андромеди, яку ми бачимо майже цілком і дуже детально через потужні телескопи, у вимірі нашої власної Галактики ми практично безсилі, перебуваючи на одному з її спіральних рукавів.
Замість того, щоб розмічати зірки Чумацького Шляху на різних відстанях (ці дані важко зібрати, заглядаючи за галактичне ядро), Пейтел з колегами вивчає обертальний момент галактик-супутників Чумацького Шляху, які пов’язані з нашою силою гравітації (таких маленьких і відомих нам на сьогодні галактик близько 50). Пейтел називає їх «трасуючими об’єктами», тому що у своєму русі вони слідують за розподілом маси в своїй материнській галактиці. Але їх рух по небу запаморочливо повільний.
Космічний телескоп «Хаббл» є на сьогодні найкращою обсерваторією для збору таких даних. Вчені, такі як Пейтел, користуються результатами роботи профільного колективу, що працює в Інституті космічної телескопії в Балтіморі, штат Меріленд. Цей інститут займається експлуатацією «Хаббла», і його співробітники вимірюють навіть неймовірно малі переміщення галактик-супутників на небі.
Спочатку колектив Пейтел вивчав переміщення дев’яти трасуючих об’єктів, щоб розрахувати масу Чумацького Шляху, але зараз вчені мають намір удосконалити свої розрахунки, включивши в них дані спостережень європейського телескопа «Гайя». Цей телескоп працює трохи більше чотирьох років, і нещодавно був опублікований другий набір даних. Цього достатньо, щоб почати вимірювання переміщень, і тепер Пейтел може збільшити кількість досліджуваних трасуючих об’єктів Чумацького Шляху приблизно до 30. «До кінця польоту «Гайя», а це ще чотири чи п’ять років і кілька додаткових наборів даних, що зібрані ним дані будуть такими ж точними, як у «Хаббла», — говорить Пейтел. Космічний телескоп «Джеймс Вебб» також зробить істотний внесок у ці спостереження, коли на початку 2020-х років почне свою роботу в космосі.
Команда Пейтел потім використовує космологічні моделі формування схожих на Чумацький Шлях материнських галактик і їх скупчень галактик-супутників. Ці моделі дають статистичну інформацію про те, який буде еволюційний шлях спостережуваних ними галактик. Використовуючи цю нову методику, Пейтел з колегами звузила попередні оцінки маси Чумацького Шляху зі значення 700 мільярдів — два трильйонів сонячних мас до 0,96 трильйона сонячних мас.
В силу того, що розкид значень по масі раніше був дуже великий, на основі розрахунків по масі було неможливо дати точні відповіді. Скільки темної матерії у Чумацького Шляху? Як розвивалася ця галактика, як формувався її нинішній вигляд? «Незнання значення маси заважало нам провести додаткові зв’язки між різними фізичними питаннями про те, як еволюціонують галактики типу нашого Чумацького Шляху», — каже Пейтел. Річ у тому, що у будь-якої задачі є різні рішення. Вона також визнає, що в її висновку є певна похибка. Тому вчені продовжать уточнювати значення маси, спостерігаючи за трасуючими об’єктами.