O quão pesada é a nossa galáxia?

Título: The mass of the Milky Way from satellite dynamics

Autores: Thomas Callingham, Marius Cautun, Alis J. Deason, Carlos S. Frenk, Wenting Wang, Facundo A. Gómez, Robert J. J. Grand, Federico Marianacci, Rüdiger Pakmor

Instituição do primeiro autor: Institute of Computational Cosmology, University of Durham, Reino Unido

Status: Submetido ao MNRAS, acesso aberto no arxiv.

 

Definir o peso da nossa galáxia é uma tarefa difícil. A Via Láctea é composta por uma complicada mistura de estrelas e poeira, e – para tornar ainda mais complicado – a maior parte da nossa galáxia é invisível, ou seja, é formada por matéria escura (Figura 1). O artigo de hoje mostra que cálculos atuais encontraram que a massa da Via Láctea está em torno de 500 bilhões à 2.5 trilhões de vezes a massa do Sol. A diferença entre esses dois grandes números é apenas um pequeno fator, mas uma medida precisa da massa da nossa galáxia é essencial para entender a física da formação de galáxias e para desvendar mistérios cosmológicos, como a natureza da matéria escura (suas propriedades aindas são desconhecidas).

Figura 1. A Via Láctea é um sistema complexo com diferentes componentes. Além dos componentes mostrados na ilustração, a galáxia inteira está envolvida por uma nuvem invisível de matéria escura. Fonte: ESA

A nossa galáxia é um laboratório único para estudar os mistérios do universo. É a única galáxia em que podemos observar as regiões mais externas e internas, nos permitindo coletar informações da sua estrutura e de processos físicos complexos que acontecem dentro dela. Esse snapshot de uma única galáxia (no caso, a nossa) pode ser generalizado para teorias físicas abrangentes quando combinado com observações de galáxias distantes e comparado com predições teóricas de simulações numéricas. Esta generalização, entretanto, depende da nossa habilidade de colocar a Via Láctea no contexto da população geral de galáxias e isto requer uma medida precisa da massa da nossa galáxia.

Figura 2. Galáxias como a Via Láctea são orbitadas por galáxias menores, conhecidas como galáxias satélites. As órbitas desses satélites são usadas para determinar a massa da galáxia central. Fonte: Boris Stromar

Mas como é possível pesar a massa da galáxia se estamos dentro dela? Os autores do artigo de hoje medem a massa da Via Láctea baseando-se nos movimentos de galáxias satélites (Figura 2). Essa técnica é similar a que usamos para medir a massa do Sol.  O movimento orbital dos planetas do nosso sistema solar, juntamente com a lei da gravitação de Newton, são usados para inferir a massa do Sol. Da mesma forma, nós podemos usar as medidas das órbitas de galáxias satélites pequenas em torno da Via Láctea para medir o seu peso.

Apesar do conceito ser o mesmo, medir uma galáxia é mais complicado do que medir uma estrela. A massa da Via Láctea está espalhada sobre um grande volume, o que complica o cálculo. Então, ao invés de calcular a massa analiticamente, os autores aproveitam de complexas simulações de formação de galáxias. Ao comparar a distribuição das órbitas das galáxias satélites na Via Láctea com aquelas de galáxias simuladas com várias massas, eles são capazes de restringir a massa da Via Láctea.

Para isso, os autores usam a energia e momento angular das galáxias satélites, calculadas a partir de medidas das suas posições e velocidades. Eles obtiveram os dados a partir da nova base de dados do GAIA DR2 liberada em abril deste ano para obter as velocidades das galáxias satélites. Eles também determinaram a distribuição teórica das energias e do momento angular (em função da massa da galáxia) baseados nas simulações EAGLE (Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments, em inglês). Finalmente, eles compararam os valores medidos com aqueles previstos na teoria para determinar estatisticamente a massa da Via Láctea.

Figura 3. Os autores encontraram que a massa da Via Láctea é em torno de 3 trilhões (1012) de vezes a massa do Sol. Cada uma das linhas coloridas mostram valores determinados com base na órbita de uma única galáxia satélite. As linhas pretas mostram as medidas combinadas. Adicionando mais galáxias satélites no cálculo iria melhorar ainda mais essas medidas. Fonte: Figura 5 do artigo

Os autores fizeram também um truque inteligente para obter uma medida ainda mais precisa. Simulações numéricas requerem muito tempo computacional, então o número de galáxias simuladas fica bem limitado. Isso significa que as simulações EAGLE contém um número relativamente pequeno de galáxias com massas similares à da Via Láctea. Além disso, mesmo para uma determinada massa de galáxia existe uma variação significante em seu comportamento, portanto para obter medidas precisas é necessário uma grande amostra. Para aumentar o tamanho da amostra, os autores usam o fato de que a energia e o momento angular dos satélites seguem uma simples relação com a massa das galáxias – eles são proporcionais à M2/3. Assim, as propriedades dos satélites podem ser ajustadas para corresponder a massas diferentes, aumentando o tamanho da amostra. Este truque simples permite uma maior amostra de galáxias simuladas com uma faixa de diferentes massas para comparar com as propriedades das galáxias satélites da Via Láctea.

Figura 4. Uma comparação entre a medida da massa da Via Láctea obtida no artigo de hoje (triângulo preto) e medidas obtidas anteriormente. Esta figura ilustra uma faixa de valores e a incerteza de cada um deles. A barras de erro na medida obtida no artigo de hoje é muito menor do que várias medidas anteriores. Fonte: Figura 7 do artigo

Combinando este método com dados de alta qualidade e com simulações poderosas, os autores conseguiram obter uma medida da massa da Via Láctea que é em torno de 1 trilhão de vezes a massa do Sol, com uma incerteza de apenas 20% (Figura 3)! O número está dentro da faixa de outras medidas já obtidas, mas é muito mais precisa do que a maioria delas (Figura 4). Esta medida ainda continuará a ser melhorada assim que mais informações precisas de galáxias satélites sejam incluídas no cálculo. À medida que a massa da nossa galáxia se torna mais precisa, nós poderemos impor mais restrições na física da formação de galáxias, no número previsto de galáxias satélites em torno da Via Láctea e na natureza da matéria escura.

Original em inglês: How heavy is our galaxy? de Nora Shipp

 

 

 

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