Hoe weeg je een melkwegstelsel en hoeveel weegt zo’n melkwegstelsel dan precies? Een internationaal team van astronomen van het European Southern Observatory (ESO) in Garching bij München. de Britse Universiteit van Cambridge, het John Hopkins University Center for Astrophysical Sciences en het Space Telescope Science Institute in Baltimore, USA zijn erin geslaagd om het gewicht van de Melkweg te bepalen. Om dit te doen, combineerden ze metingen van de NASA/ESA Hubble-ruimtetelescoop en de ESA Gaia-satelliet.

Wat naar voren komt is dat ons melkwegstelsel ongeveer 1,5 biljoen zonsmassa’s weegt binnen een straal van 129.000 lichtjaar rond het galactisch centrum. “In kilo’s zijn 1,5 biljoen zonsmassa’s 3 x 10^39 ton”, zegt teamleider Dr. Laura Watkins van ESO.

Eerdere schattingen over hoe zwaar de melkweg is, liepen uiteen van 500 miljard tot 3 biljoen zonnsmassa’s. Dit grote verschil komt door de verschillende methoden die wetenschappers gebruiken om de verdeling van donkere materie te meten. Deze donkere materie maakt ongeveer 90% van de totale massa van het melkwegstelsel uit. “We kunnen donkere materie niet direct herkennen”, benadrukt Watkins. “Hier komt de  onzekerheid vandaan voor het bepalen van de massa van de Melkweg – je kunt niet precies meten wat je niet kunt zien!”

Omdat donkere materie zich moeilijk laat meten en daarmee ook moeilijk wegen, gebruikten onderzoekers hiervoor een andere methode. Ze meten de snelheid van bolvormige sterrenclusters – dichte clusters van sterren die op grote afstand rond de spiraalvormige schijf van het melkwegstelsel draaien.

Milchstraße

De Gaia-satelliet van ESA is een ruimtetelescoop ontworpen om de posities van miljarden sterren met ongekende precisie te meten. Gaia werd gelanceerd op 19 december 2013 en is gevestigd op L2 Lagrange Point – dezelfde locatie waar de toekomstige James Webb NASA/ESA/CSA Space Telescope zal staan. © ESA/ATG medialab

Meetpunten Sterrenclusters

“We gebruiken de bewegingen van een groep objecten om de massa van een groter object te meten. De objecten (in dit geval bolvormige sterrenclusters) cirkelen in een groter object (in dit geval de Melkweg). De clusters bewegen door de zwaartekracht van de Melkweg”, legt Laura Watkins uit. “Hoe snel ze bewegen hangt af van hoe sterk de zwaartekracht is, die weer afhangt van hoeveel massa er is. Om dit dus om te draaien: Door de snelheid te meten kunnen we de massa van de Melkweg schatten. We gebruiken de clusters om de massa van de Melkweg te schatten, niet de massa van de clusters zelf.”

De onderzoekers baseren hun onderzoek op gegevens die zijn verzameld door Gaia, een ESA (European Space Agency) satelliet die ontworpen is om gedetailleerde 3D-kaarten te maken van astronomische objecten in de Melkweg en hun begewingen te volgen. De tweede data release bevat metingen van clusters tot 65.000 lichtjaren verwijderd van de aarde.   

Het team combineerde deze gegevens met Hubble-waarnemingen, waardoor ze ook bolvormige clusters konden opnemen die tot 130.000 lichtjaren verwijderd van de aarde zijn en nauwelijks nauwelijks zichtbaar zijn. De Hubble observeert al tien jaar enkele van deze objecten, hierdoor is het ook mogelijk om de snelheden van deze clusters nauwkeurig te volgen.

Het bepalen van het gewicht van individuele objecten, zoals planeten of sterren gebeurt echter niet op deze manier. “Met deze methode kunnen we de totale massa van alles binnen de Melkweg meten (donkere materie, gas, sterren, planeten, zwarte gaten), allemaal samen. De clusters bewegen door de zwaartekracht – ze ervaren alleen de totale kracht, niet hoeveel kracht van het ene type object komt en hoeveel kracht van het andere. Daarom kunnen we met deze methode niet schatten wat de massa van individuele dingen is, maar alleen de totale massa van de Melkweg”, legt Laura Watkins uit.

Milchstraße

Dit bolvormige sterrencluster, NGC 4147, geschoten met de NASA/ESA Hubble-ruimtetelescoop, was een van de vele clusters die astronomen gebruikten om de totale massa van de Melkweg te meten. NGC 4147 ligt ongeveer 60.000 lichtjaren van de aarde in het noordelijke sterrenbeeld Coma Berenices. © ESA/Hubble & NASA, T. Sohn et al.

Grote vraag voor de wetenschap

Tot nu toe was het gebrek aan informatie over de exacte massa van de Melkweg een probleem bij het beantwoorden van veel kosmologische vragen. Het aandeel van donkere materie in een melkwegstelsel en de verdeling ervan zijn onlosmakelijk verbonden met de vorming en groei van structuren in het universum. “Uit ander onderzoek weten we dat de totale massa van sterren in de Melkweg ongeveer 60 miljard zonsmassa’s is, ongeveer 4% van de totale massa die we gevonden hebben”, voegt Watkins toe. “We weten ook dat de totale massa in baryonen (sterren en gas) ongeveer 16% is. Als 4% uit sterren bestaat, dan moet 12% uit gas bestaan. De overige 84% zijn donkere materie.”

Dit resultaat is van grote waarde voor de wetenschap, benadrukt de astronoom. “De Melkweg is het dichtstbijzijnde melkwegstelsel voor ons, dus die kunnen we het meest gedetailleerd bestuderen. Astronomen gebruiken deze kennis om meer te leren over verre sterrenstelsels die we niet in detail kunnen bestuderen. Dus als we een basishoeveelheid hebben voor de massa van de Melkweg, kunnen we dit vergelijken sterrenstelsels die verder weg liggen.”

De bevindingen van dit onderzoek zijn niet alleen nuttig voor de geschiedenis, maar helpen astronomen ook om de toekomst van de Melkweg beter te begrijpen. “We zien de Melkweg zoals hij nu is, het verleden zien we niet”, zegt Watkins. “Met simulaties waar astronomen kijken hoe de Melkweg zich in miljarden jaren heeft kunnen vormen en ontwikkelen, zoeken ze een simulatie die eindigt met een melkwegstelsel dat het meest lijkt op onze Melkweg. Om deze vergelijkingen te kunnen maken, moeten we de kenmerken van de Melkweg zo nauwkeurig mogelijk kennen.”