Vi bor inuti Vintergatan, och det är ett problem.
För forskare som vill förstå hur stor vår galax är. Det är svårt att svara på! Eftersom vi befinner oss inuti den är till exempel en stor del av den blockerad från synen av ogenomskinliga moln av damm. Dessutom kan det vara svårt att få grepp om omfattningen och formen på ett objekt som man befinner sig inuti. Om du befinner dig i ett rum inuti ett hus, hur kan du då veta hur stort huset är?
Glatt nog ger naturen ledtrådar. Vi ser ett suddigt band av ljus över himlen och kallar det för Vintergatan – det är i själva verket det kombinerade ljuset från miljarder avlägsna stjärnor. Det är en tjock linje, och det säger oss att en stor del av galaxen är platt: Vi befinner oss inuti en tjock skiva av stjärnor, så vi ser den projicerad som en ström av ljus över himlen.
Vi kan också se en bula av stjärnor i mitten, som är verklig. Spiralarmar i skivan är svårare att upptäcka, men radioobservationer visar dem tydligt och gör att vi kan kartlägga galaxens form och struktur tydligt på andra sidan. Genom att titta på stjärnor som ändrar ljusstyrka på ett förutsägbart sätt kan vi mäta skivans form och utbredning och konstatera att den är skev (som kanten på en fedora) och hela 120 000 ljusår i diameter – 120 kvadriljoner kilometer!
Miljövägens skevhet är uppenbar när cepheidstjärnornas positioner kartläggs mot en karta över galaxen sedd från sidan. Den utbredda skivan (som förtjockas med avståndet från centrum) är också uppenbar. Credit: J. Skowron / OGLE / Astronomical Observatory, University of Warsaw
Vi vet också att galaxer som vår egen är omgivna av en enorm halo av stjärnor samt mörk materia. Det senare består av vi-vet-inte-vad, förmodligen en exotisk form av subatomära partiklar, som utövar inflytande på galaxen via gravitationen. I massa överstiger den vida vad vi kallar ”normal” materia (även om, om man tänker efter, om det finns mer mörk materia där ute så borde det vara det som vi kallar normalt), förmodligen med en faktor fem eller mer.
Men hur stor är denna halo? Det är den överlägset största strukturen i vår galax och definierar utan tvekan hur stor Vintergatan verkligen är, men den är ytterst dimmig eller osynlig för våra ögon, så det är svårt att få fram dess storlek.
Vintergatans struktur: En tillplattad skiva med spiralarmar (sedd med ansiktet mot vänster och med kanten mot höger), med en central utbuktning, en halo och mer än 150 klotformiga kluster. Solens placering ungefär halvvägs ut är angiven. Till vänster: NASA/JPL-Caltech, till höger: NASA/JPL-Caltech: ESA; layout: ESA/ATG medialab
Ett team av astronomer tog nyligen itu med denna fråga. De använde datormodeller av hur galaxer bildas och utvecklas för att se om halo av en galax som Vintergatan har en naturlig kant, något där man kan sätta upp en skylt och säga ”Här är där galaxen slutar”. Det är inte så enkelt – halos tenderar att blekna bort gradvis i stället för att komma till ett hårt stopp – men med hjälp av både dessa modeller och observationer av mindre galaxer runt omkring oss finner de att Vintergatans halo sträcker sig 950 000 ljusår från centrum, vilket innebär att vår galax är dubbelt så stor: 1,9 miljoner ljusår.
En försiktighet är dock att osäkerheten på detta är ungefär ±200 000 ljusår. Det är inte exakt. Men sedan, som jag sa ovan, mäter de inte riktigt en kant.
Det sätt på vilket detta gjordes var också intressant. I universums tidiga dagar bildades galaxer från moln av gas och mörk materia. För det mesta var allt detta material utspritt, men det fanns lokala platser som hade högre densitet, så material skulle (bokstavligen) gravitera ditåt. När en kärna av material hade bildats föll material från längre bort in, och sedan material längre bort, och så vidare. Det är en process inifrån och ut.
Halo skulle bildas av material ganska långt ut. Det skulle falla ner mot den framväxande galaxen, och mycket av det skulle svänga tillbaka ut igen. Detta bildar två slags kanter på halon. Den ena kallas ”splashback”-kanten, där material skulle falla in från halon och sedan tillbaka ut igen; där det saktade ner till ett stopp definierar den regionen. Materia samlas där eftersom den rör sig långsamt, så precis utanför detta får man en stor nedgång i densitet.
En annan kant ligger närmare centrum och kallas den ”andra kaustiska kanten”. Det är här som material har fallit runt galaxen ett par gånger och har lugnat ner sig lite (det som astronomer kallar ”virialiserat” material). Forskarna i detta nya arbete använde den andra kaustiken för att räkna ut storleken på Vintergatan, eftersom den yttre kaustiken tenderar att överlappa med halos från andra galaxer (som Andromeda, som ligger 2,5 miljoner ljusår bort) och även för att de fann att detta avstånd fungerar både när man modellerar mörk materia och stjärnor.
De tittade också på beteendet hos dvärggalaxer i vår lokala grupp av galaxer och fann att de som befinner sig närmare Vintergatan än denna andra kaustik tenderar att röra sig genom rymden med en annan hastighet än de som befinner sig längre bort. De kommenterar att detta kan vara en tillfällighet, men det kan också vara ett fysiskt förhållande som de har till Vintergatan på grund av gravitation. Om så är fallet är det mer bevis för att detta är ett bra val för gränsen.
Så där har ni det. Vi lever på en planet som kretsar kring en stjärna som befinner sig ungefär 40 procent av vägen från centrum till kanten av skivan i en spiralgalax med en mycket större halo som sträcker sig över nästan två miljoner ljusår. Det är inte den största galaxen vi känner till, men inte heller en galax att skratta åt.