Żyjemy wewnątrz galaktyki Drogi Mlecznej i to jest problem.
Dla naukowców, którzy chcą zrozumieć, jak duża jest nasza galaktyka. Trudno jest odpowiedzieć na to pytanie! Ponieważ znajdujemy się w jej wnętrzu, na przykład, duża jej część jest zasłonięta przed widokiem przez nieprzezroczyste chmury pyłu. Ponadto, trudno jest ocenić rozmiar i kształt obiektu, w którego wnętrzu się znajdujemy. Jeśli jesteś w pokoju wewnątrz domu, jak możesz stwierdzić, jak duży jest ten dom?
Na szczęście natura dostarcza wskazówek. Widzimy rozmyte pasmo światła na niebie i nazywamy je Drogą Mleczną – w rzeczywistości jest to połączone światło miliardów odległych gwiazd. Jest to gruba linia, a to mówi nam, że duża część galaktyki jest płaska: Znajdujemy się wewnątrz grubego dysku gwiazd, więc widzimy go wyświetlanego jako strumień światła na niebie.
Możemy również zobaczyć wybrzuszenie gwiazd w środku, które jest prawdziwe. Ramiona spiralne w dysku są trudniejsze do wykrycia, ale obserwacje radiowe pokazują je wyraźnie i pozwalają nam na odwzorowanie kształtu i struktury galaktyki wyraźnej do drugiej strony. Przyglądając się gwiazdom, które zmieniają jasność w przewidywalny sposób, możemy zmierzyć kształt i rozmiar dysku, stwierdzając, że jest on wypaczony (jak brzeg fedory) i ma aż 120 000 lat świetlnych średnicy – 120 kwadrylionów kilometrów!
Wypaczenie Drogi Mlecznej jest oczywiste, gdy położenie gwiazd cefeidalnych jest odwzorowane na mapie galaktyki widzianej z brzegu. Widać również flaring (pogrubienie dysku w miarę oddalania się od centrum). Credit: J. Skowron / OGLE / Obserwatorium Astronomiczne, Uniwersytet Warszawski
Wiemy również, że galaktyki takie jak nasza własna są otoczone ogromnym halo gwiazd, a także ciemną materią. Ta ostatnia składa się z nie-wiadomo-czego, prawdopodobnie egzotycznej formy cząstek subatomowych, które wywierają wpływ na galaktykę poprzez grawitację. Pod względem masy znacznie przewyższa to, co nazywamy „normalną” materią (choć, jeśli się nad tym zastanowić, jeśli jest tam więcej ciemnej materii, to powinna ona być tym, co nazywamy normalnym), prawdopodobnie pięciokrotnie lub więcej.
Ale jak duże jest to halo? Jest to zdecydowanie największa struktura w naszej galaktyce i prawdopodobnie określa jak duża jest Droga Mleczna, ale jest ona niezwykle niewyraźna lub niewidoczna dla naszych oczu, więc trudno jest określić jej rozmiar.
Struktura Drogi Mlecznej: Spłaszczony dysk z ramionami spiralnymi (widziane twarzą do góry, po lewej, i krawędzią do góry, po prawej), z centralnym wybrzuszeniem, halo i ponad 150 gromadami kulistymi. Wskazane jest położenie Słońca mniej więcej w połowie drogi. Kredyty: Po lewej: NASA/JPL-Caltech; po prawej: ESA; układ: ESA/ATG medialab
Zespół astronomów zmierzył się ostatnio z tym zagadnieniem. Użyli oni komputerowych modeli formowania się i ewolucji galaktyk, aby sprawdzić, czy halo galaktyki takiej jak Droga Mleczna ma naturalną krawędź, coś, gdzie można postawić znak i powiedzieć „Tu kończy się galaktyka”. Nie jest to takie proste – aureole mają tendencję do stopniowego zanikania zamiast twardego zatrzymania się – ale używając zarówno tych modeli, jak i obserwacji mniejszych galaktyk wokół nas, stwierdzili, że aureola Drogi Mlecznej rozciąga się do 950 000 lat świetlnych od centrum, co oznacza, że nasza galaktyka ma dwa razy taką szerokość: 1,9 miliona lat świetlnych.
Nota ostrożności, jednak; niepewność na to jest około ±200,000 lat świetlnych. Nie jest to precyzyjne. Ale wtedy, jak powiedziałem powyżej, oni tak naprawdę nie mierzą krawędzi.
Również sposób w jaki to zostało zrobione był interesujący. We wczesnym okresie istnienia Wszechświata galaktyki powstawały z obłoków gazu i ciemnej materii. Przeważnie wszystko to było rozproszone, ale istniały lokalne miejsca o większej gęstości, więc materia (dosłownie) grawitowała w ich kierunku. Kiedy uformowało się jądro materii, rzeczy z dalszych obszarów wpadały do niego, a następnie rzeczy znajdujące się dalej, itd. Jest to proces typu inside-out.
Halo uformowałoby się z materiału dość daleko na zewnątrz. Opadłaby ona w kierunku rodzącej się galaktyki, a duża jej część wychyliłaby się z powrotem na zewnątrz. To tworzy dwa rodzaje krawędzi halo. Jedna z nich nazywana jest krawędzią „rozpryskującą”, gdzie materia wpadałaby z halo, a następnie z powrotem wylatywała; w tym rejonie zatrzymywała się powoli. Materia gromadzi się tam, ponieważ porusza się powoli, a więc tuż poza nią dostajemy duży spadek gęstości.
Inna krawędź jest bliżej centrum i nazywa się „2. żrący”. Jest to miejsce, gdzie materiał opadł wokół galaktyki kilka razy i nieco się uspokoił (astronomowie nazywają to materiałem „zwirializowanym”). Naukowcy w tej nowej pracy użyli tej drugiej kusty do określenia rozmiaru Drogi Mlecznej, ponieważ ta zewnętrzna ma tendencję do nakładania się na halo z innych galaktyk (jak Andromeda, która jest oddalona o 2,5 miliona lat świetlnych), a także dlatego, że odkryli, iż ta odległość sprawdza się zarówno przy modelowaniu ciemnej materii, jak i gwiazd.
Spojrzeli również na zachowanie galaktyk karłowatych w naszej Lokalnej Grupie galaktyk i stwierdzili, że te bliższe Drodze Mlecznej niż ta druga kaustyna mają tendencję do poruszania się w przestrzeni z inną prędkością niż te bardziej oddalone. Komentują, że może to być zbieg okoliczności, ale może to być również fizyczny związek, który mają z Drogą Mleczną grawitacyjnie. Jeśli tak, jest to więcej dowodów, że to dobry wybór dla limitu.
Więc proszę bardzo. Żyjemy na planecie krążącej wokół gwiazdy w odległości około 40% drogi od centrum do krawędzi dysku w galaktyce spiralnej z dużo większym halo, które rozciąga się na prawie dwa miliony lat świetlnych. Nie jest to największa galaktyka, jaką znamy, ale też nie taka, na którą można kichnąć.