Praeitame pažintiniame straipsnyje rašiau apie Paukščių Tako ir Andromedos susiliejimo modelius. Naujausiojo autoriai savo skaičiavimuose patikrino ir Paukščių Tako masės įtaką. Jie aprėpė ruožą nuo 600 milijardų iki dviejų trilijonų Saulės masių ir nustatė, kad nuo šio skaičiaus galutinis rezultatas priklauso nežymiai. Tačiau toks ruožas neapėmė net kelių pastaraisiais metais pasiūlytų Paukščių Tako masės verčių, iš kurių mažiausios nesiekia net 200 milijardų Saulės masių.
Kaip gali būti, kad Galaktikos – mūsų kosminių namų – masę žinome taip prastai, jog skirtingų mokslininkų vertinimai skiriasi beveik 10 kartų? Apie panašius neatitikimus rašiau ir prieš pustrečių metų. Nuo tada atsirado naujų straipsnių, bet vieningo sutarimo – ne. Tad šis klausimas – kokia iš tiesų yra Paukščių Tako masė – tampa puikiu pavyzdžiu parodyti, kaip moksliniai rezultatai priklauso nuo įvairiausių prielaidų ir pasirinktų modelių, ir kaip atrodo konsensuso paieškos.
Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių remėjų Contribee platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti reguliarios paramos, prisidėkite prie jų ir jūs.
Bet kuris astronomas, norintis apskaičiuoti Paukščių Tako masę, greitai susiduria su didžiuliu iššūkiu: mes esame Galaktikos viduje. Stebėdami kitas galaktikas, jų masę galime gana patikimai apskaičiuoti tiesiog matuodami dujų, žvaigždžių ar jų spiečių judėjimą skirtingu atstumu nuo galaktikos centro. Jei galaktika yra diskinė, šie stebėjimai leidžia sudaryti jos sukimosi kreivę, jei elipsinė – būdingojo judėjimo greičio žemėlapį. Tiek vienas, tiek kitas greitis priklauso nuo to, kokio stiprumo gravitacija traukia žvaigždes, o gravitacija priklauso nuo masės, taigi galima apskaičiuoti ir pastarąją.
Paukščių Take panašius metodus ganėtinai nesudėtinga taikyti žvaigždėms ar dujoms, kurios yra arčiau centro, nei Saulė. Išorinėje dalyje kyla problemų tiek bandant tiksliai nustatyti žvaigždžių greitį, tiek atstumą. Abiem klausimais labai padeda Gaia, bet ir ja išmatuoti atstumai darosi mažai patikimi vos už kelių kiloparsekų. Spektrofotometriniai metodai, sukalibruoti naudojantis patikimais Gaia atstumais, leidžia sudaryti sukimosi kreivę iki 26-28 kiloparsekų nuo centro, trigubai toliau nei Saulės orbita, bet tai tėra mažiau nei šeštadalis “tikrojo”, arba virialinio Galaktikos spindulio.
Virialiniu spinduliu vadinamas nuotolis nuo centro, kuriame medžiagos judėjimas yra tam tikru būdu nusistovėjęs ir pasiekęs pusiausvyrą. Didelėms galaktikoms, kaip Paukščių Takas ar Andromeda, jis siekia apie 200 kiloparsekų. Taip toli regimoji galaktikos dalis nesitęsia, tad apie tamsiosios materijos pasiskirstymą spręsti reikia kitais būdais. Jų yra keletas: pavyzdžiui, galima pratęsti masės pasiskirstymą, apskaičiuotą mažesniais masteliais, parinkus tikėtiną tankio profilio formą, arba nagrinėti palydovinių nykštukinių galaktikų, kamuolinių spiečių ar žvaigždžių srautų judėjimą ir formas. Pirmasis metodas labai priklauso nuo profilio pasirinkimo: garsioji ypatingai žema, 181 milijardo Saulių, masė gauta naudojant Einasto profilį, o priėmus kitą populiarų, gNFW, rezultatas pašoko iki 694 milijardų; tiesa, pastarasis profilis prasčiau dera su sukimosi kreivės duomenimis, ypač jos leidimusi Galaktikos pakraščiuose.
Žvaigždžių srautų formos išduoda ir Galaktikos masę, ir netgi jos formą; apie tai plačiau rašiau vasaros pradžioje. Jomis remiantis įvertinta, kad iki 32 kiloparsekų nuo Paukščių Tako centro yra 285 milijardai Saulės masių. Galaktikos halo žvaigždžių judėjimas sufleruoja, kad iki 50 kiloparsekų yra 336 milijardai Saulės masių. Šaulio nykštukinės galaktikos srauto modelis parodė, kad iki 100 kiloparsekų sutelkta 560 milijardų Saulės masių. Visi trys skaičiai viršija žemiausias vertes, pasiūlytas visos Galaktikos masei, nors siekia tik pusę ar mažiau virialinio spindulio. Taigi rezultatų neatitikimo neįmanoma paaiškinti vien skirtingais pasirinktais atstumais, ties kuriais matuojama masė. Kad geriau suprastume, kiek patikimi rezultatai ir kur slypi galimos nesutapimų priežastys, pažvelkime atidžiau, kaip sudaroma Paukščių Tako sukimosi kreivė ir kokie yra jos paklaidų šaltiniai.
Aukščiau minėti atstumų matavimai kelia vieną pagrindinių pavojų. Net 5% atstumo paklaida, matuojant žvaigždes keliolikos kiloparsekų atstumu nuo Saulės, gali pakeisti apskaičiuotą jų judėjimo greitį apie 10 km/s. Tai nedaug, palyginus su tipiniu judėjimo greičiu, kuris Saulės aplinkoje ir kiek toliau viršija 200 km/s. Tačiau masės vertinimai, kaip minėjau, dažnai remiasi ekstrapoliacija į didelius atstumus, o ekstrapoliavimui svarbu judėjimo greičio pokyčiai. Išmatuoti pokyčiai tarp maksimalios vertės ir mažesnių, randamų didėjant atstumui, tėra apie 30 km/s ar mažiau, tad 10 km/s paklaida daro juos menkai patikimus.
Net ir turint tikslius atstumo bei greičio matavimus yra svarbu, kaip interpretuosime tą greitį. Žvaigždės juda ne tiksliai apskritiminėmis orbitomis. Pavyzdžiui, paėmę daugybę žvaigždžių Saulės aplinkoje pastebėsime, kad jos vienos kitų atžvilgiu juda tipiniais keliasdešimties kilometrų per sekundę greičiais. Šis savitasis, arba pekuliarusis, judėjimas irgi priešinasi gravitacijai, tačiau vidurkinant yra prarandamas, todėl apskaičiuojamas greitis gali būti mažesnis, nei tikrasis, reikalingas išsilaikyti gravitaciniame potenciale. Įvertinti šiuos nukrypimus galima naudojant vadinamąsias Jeanso lygtis (nesusiję su kelnėmis; jos pavadintos britų astronomo Jameso Jeanso vardu). Bet ir jos nėra tobulos, nes remiasi prielaida, kad Galaktikos diskas yra ašiškai simetriškas ir pusiausviras. Paukščių Tako diską veikia Didžiojo Magelano debesies ir kitų palydovių gravitacija. Įtraukti šiuos efektus ir eliminuoti jų įtaką – labai nelengvas uždavinys.
Yra būdų, kaip šią įtaką bent jau įvertinti. Keliuose tyrimuose sukimosi kreivės sudarymo ir masės nustatymo metodas pritaikytas dirbtinėms galaktikoms, paimtoms iš skaitmeninių modelių. Viename, sujungus kosmologinius modelius, skirtus atkurti panašias į Paukščių Taką galaktikas, specializuotą Paukščių Tako ir Šaulio nykštukinės galaktikos modelį bei Gaia duomenis, nustatyta, kad apskaičiuota sukimosi kreivė nuo tikrosios skiriasi iki 15%, o Paukščių Takui, tikėtinai, apie 10%. Tai lemia 20-30% masės įvertinimo nuokrypį. Keturioms iš šešių modelinių galaktikų standartiniais metodais apskaičiuotas sukimosi greičio mažėjimas tolstant nuo centro, didesnis už tikrąjį. Kitą tyrimą atliko ta pati tyrėjų grupė, kuri paskelbė netikėtai mažą Paukščių Tako masės vertę. Jie tokį patį metodą pritaikė trim galaktikoms, panašioms į Paukščių Taką, iš FIRE-2 skaitmeninių modelių. Išmatuoti sukimosi greičiai nuo tikrųjų skyrėsi iki 20%, o pataisius tikrojo Paukščių Tako analizės rezultatus, įvertinant tikėtinus nuokrypius, gauta Galaktikos masė išaugo iki 730 milijardų Saulės masių.
Abu šie vertinimai nebūtinai yra idealiai tinkami. Paukščių Takas gali būti ramesnė galaktika, nei tipinės į ją panašios, nes paskutinį reikšmingą susiliejimą patyrė prieš 10 milijardų metų, o tipinė spiralinė galaktika – vidutiniškai prieš šešis. Taigi gali būti, kad savo Galaktikos sukimosi kreivę apskaičiuojame patikimiau. Iš kitos pusės, aplinkinių galaktikų gravitacijos keliamos perturbacijos išblaško ir iškreipia Galaktikos diską, o tai mažina patikimumą. Be to, gretimi sukimosi kreivės elementai nėra statistiškai nepriklausomi: spiralinių vijų poveikis ir disko deformacija panašiu atstumu esančioms žvaigždėms pasireiškia panašiai, ir net pats analizės metodas gretimiems elementams gali suteikti panašius nuokrypius nuo tikrosios vertės. Visa tai padidina tikrąsias apskaičiuotos sukimosi kreivės paklaidas.
Masės vertinimai, paremti žvaigždžių srautais ar nykštukinėmis galaktikomis, irgi turi trūkumų bei klaustukų. Pavyzdžiui, bent viename tyrime, remiantis Gaia duomenimis, daroma išvada, kad dauguma Paukščių Taką supančių nykštukinių galaktikų nėra tikros palydovės, o tik pirmą kartą artėja jos link. Tokiu atveju, darant prielaidą, kad galaktikos aplink mūsiškę suka ne pirmą ratą, Paukščių Tako masė būtų pervertinta. 100 kiloparsekų ir didesniu atstumu skriejančių palydovinių galaktikų orbitų periodai yra artimi Visatos amžiui, o jų judėjimo greičių sklaida palyginama su greičiu, kurį Paukščių Takui suteikia Didžiojo Magelano debesies trauka. Taigi palydovinių galaktikų sistemos pusiausvyra abejotina, o net ir nedidelės matavimų ar modeliavimo paklaidos gali reikšmingai pakeisti gaunamus rezultatus. Siekdami išvengti šių problemų, prieš metus mokslininkai išbandė kitokį metodą: apmokė neuroninį tinklą pagal skaitmeninių modelių rezultatus, nedarydami prielaidų nei apie aplinkinių galaktikų susietumą su pagrindine, nei apie pusiausvyrą. Pritaikę jį Paukščių Takui, gavo masę, 1,6 trilijono kartų didesnę už Saulės – tai viršutinė šiuo metu įprastų vertinimų riba. Taigi atrodo, kad geresnis aplinkinių galaktikų judėjimo įskaitymas Paukščių Tako masės vertinimą gali pakeisti ir į vieną, ir į kitą pusę. Prie dermės su skaičiais, gaunamais ekstrapoliuojant sukimosi kreivę, nepriartėjame.
Analizuojant sukimosi kreivę, vienas pagrindinių klausimų yra ar, ir kiek, tipinis žvaigždžių orbitinis greitis mažėja tolstant nuo centro. Iki Gaia DR3 katalogo išleidimo buvo manoma, kad sukimosi kreivė yra daugmaž plokščia. Naujieji masės vertinimai remiasi aptiktu sukimosi kreivės mažėjimu, nors šis rezultatas, kaip minėjau, nėra vienareikšmiškai priimtas. Jei paaiškėtų, kad sukimosi kreivė tikrai leidžiasi – žvaigždės maždaug 15 kiloparsekų ir didesniu atstumu ima judėti vis lėčiau – kiek tai būtų išskirtinis rezultatas bendrame galaktikų kontekste? Panašu, kad gana reikšmingai: 175 spiralinių ir netaisyklingų galaktikų tyrimas parodė, kad vidutiniškai jų sukimosi kreivės, tolstant nuo centro, yra plokščios ar šiek tiek kyla, o ne leidžiasi.
Naują puslapį šioje diskusijoje galimai atversime jau šių metų pabaigoje, kai Gaia teleskopo komanda paskelbs ketvirtąjį duomenų rinkinį. Kaip ir nagrinėjant Paukščių Tako bei Andromedos susijungimo klausimą, taip ir mūsų Galaktikos žvaigždžių judėjimo greičius ir atstumus šis katalogas leis įvertinti daug geriau. Mokslininkų grupės taip pat tobulina ir analizės algoritmus bei modelius, kad galėtų teisingiau įvertinti nuokrypius nuo pusiausvyros, netvarkingą Galaktikos disko formą ir aplinkinių galaktikų įtaką. Šie du veiksniai galbūt padės išsiaiškinti, kaip iš tiesų atrodo Paukščių Tako sukimosi kreivė ir kokia yra galaktikos masė. Tai nenutiks per mėnesį, tačiau po metų ar keleto šis klausimas galimai bus išspręstas.
Laiqualasse