ทางช้างเผือกมีมวลรวมสองแสนล้านเท่าดวงอาทิตย์

 

ดาวเทียมไกอาทำแผนที่ตำแหน่งในแบบสามมิติและความเร็วของดาวฤกษ์หลายล้านดวงในทางช้างเผือก

      ต้องขอบคุณบัญชีรายชื่อล่าสุดจากดาวเทียมไกอาขององค์กรอวกาศยุโรป ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติที่นำโดยหอสังเกตการณ์ปารีส ได้บรรลุถึงการตรวจสอบมวลทางช้างเผือกที่เที่ยงตรงที่สุดเท่าที่เคยทำมา การศึกษาเปิดคำถามใหม่ๆ ในทางเอกภพวิทยา โดยเฉพาะอย่างยิ่งปริมาณของสสารมืดที่มีในทางช้างเผือกของเรา

     มวลรวมของทางช้างเผือกนั้นประเมินว่ามีเพียง 2 แสนล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์(2.06 *10^11 มวลดวงอาทิตย์) การตรวจสอบใหม่ทำให้ประเมินการก่อนหน้านี้ลดลงอย่างมากราว 4 ถึง 5 เท่า ค่าใหม่ที่ได้มาจากการเผยแพร่ข้อมูลบัญชีรายชื่อไกอาในปี 2022 ซึ่งให้ข้อมูลดาวราว 1.8 พันล้านดวงอย่างครบถ้วน ทั้งตำแหน่งแบบสามมิติและความเร็วแบบสามมิติ

      ด้วยการใช้ข้อมูลจากไกอา นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถสร้างกราฟการหมุนรอบตัว(rotation curve) ที่เที่ยงตรงที่สุดเท่าที่ทำได้กับกาแลคซีกังหันแห่งหนึ่ง ในกรณีนี้เป็นกาแลคซีของเราเอง กราฟซึ่งตรวจสอบความเร็วของดาวในกาแลคซีเทียบกับระยะทางจากใจกลางกาแลคซี ความเร็วที่ดาวโคจรจะเป็นสัดส่วนกับปริมาณมวลภายในวงโคจรของดาว จากกราฟการโคจร ก็ทำแผนที่สัดส่วนมวลเทียบกับรัศมี และระบุมวลของมันได้

     ก่อนการมีไกอา การหากราฟการหมุนรอบตัวของทางช้างเผือกเป็นเรื่องที่ท้าทาย ไม่เหมือนกับกรณีกังหันอื่นๆ เช่น กาแลคซีอันโดรเมดา(Andromeda galaxy) ความท้าทายนี้มาจากตำแหน่งของเราเองภายในทางช้างเผือก ซึ่งทำให้เป็นไปไม่ได้เลยที่จะแยกแยะการเคลื่อนที่และระยะทางของดาวในดิสก์กาแลคซี

ตัวอย่างกราฟการหมุนรอบตัว(rotation curve) ของกาแลคซีไทรแองกูลัม(Triangulum galaxy; M33) ซึ่งเป็นกาแลคซีกังหันที่มีขนาดใหญ่ที่สุดเป็นอันดับสามในกลุ่มท้องถิ่น(Local Group) รองจาก กาแลคซีอันโดรเมดา(Andromeda) และทางช้างเผือก 

      ในการศึกษาที่เผยแพร่วันที่ 27 กันยายน 2023 ในวารสาร Astronomy and Astrophysics นักวิทยาศาสตร์พบว่ากราฟการหมุนรอบตัวของทางช้างเผือกนั้นไม่เหมือนกราฟทั่วไป กล่าวคือ ไม่เหมือนกับกราฟที่ได้จากกาแลคซีกังหันขนาดใหญ่แห่งอื่นๆ เนื่องจากมันไม่ราบเรียบ เมื่อที่ชายขอบดิสก์ของกาแลคซี กราฟจะเริ่มดิ่งลงอย่างรวดเร็ว เป็นไปตามการทำนายที่เรียกว่าการถดถอยเคปเลอร์(Keplerian decline)

      เมื่อได้กราฟการหมุนรอบตัวของทางช้างเผือกที่แสดงการถดถอยเคปเลอร์ จะช่วยให้ทีมระบุมวลขั้นสูงของทางช้างเผือกได้(ที่ 5.4 แสนล้านเท่าดวงอาทิตย์) แต่ค่ามวลที่สอดคล้องกับข้อมูลที่สุดอยู่ที่ราว 2 แสนล้านเท่า มวลใหม่ก็สร้างปัญหาให้กับกรอบแนวคิดทางเอกภพวิทยา ในทางเป็นจริงแล้ว หนึ่งในการค้นพบครั้งใหญ่ของดาราศาสตร์สมัยใหม่ก็คือ เมื่อตระหนักได้ว่าความเร็วการหมุนรอบตัวของดิสก์ขนาดใหญ่ของกาแลคซีกังหันนั้น เร็วกว่าที่คาดไว้จากการถดถอยเคปเลอร์อย่างมาก

     ในทศวรรษ 1970 นักดาราศาสตร์ Vera Rubin ใช้การสำรวจก๊าซที่แตกตัวเป็นประจุ และ Albert Bosma ซึ่งศึกษาก๊าซเป็นกลาง ได้แสดงว่าความเร็วการหมุนรอบตัวของกังหันจะคงที่ แม้กระทั่งในส่วนที่เลยดิสก์ที่ตาเห็นได้ออกไป ผลที่ตามมาทันทีของการค้นพบครั้งนั้นก็คือ สัดส่วนการมีสสารมืดที่กระจายในกลดที่ล้อมรอบดิสก์ของกาแลคซีกังหันน่าจะมีมากกว่าสสารปกติที่ 5-6 เท่า ถ้าไม่มีสสารมืด กราฟการหมุนรอบตัวก็น่าจะมีการถดถอยเกิดขึ้น ซึ่งบอกถึงการขาดแคลนสสารจำนวนมากที่อยู่เลยดิสก์ที่ตามองเห็นได้ออกไป

Rotation curve ของทางช้างเผือกที่ได้จากข้อมูลไกอา แสดงกราฟที่มีการถดถอยเคปเลอร์(Keplerian decline)

      ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งก็คือ ต้องมีการประเมินการตรวจสอบกาแลคซีกังหันแห่งอื่นซะใหม่ โครงการไกอานั้นแตกต่างอย่างมากกับวิธีที่เราใช้ตรวจสอบกาแลคซีแห่งอื่นๆ อีกคำอธิบายก็คือ ทางช้างเผือกแค่มีสสารมืดน้อยกว่ากาแลคซีอื่นๆ กาแลคซีกังหันโดยเฉลี่ยแล้วจะชนกับกาแลคซีอื่นที่มีขนาดใกล้เคียงกันทุกๆ 6 พันล้านปี การชนครั้งสุดท้ายของทางช้างเผือกเกิดขึ้นเมื่อ 9 พันล้านปีก่อน

แหล่งข่าว phys.org : the revisited mass of the Milky Way is much smaller than expectations from cosmology  
                sciencealert.com : our galaxy could be only half as heavy as we once thought
                iflscience.com : Milky Way weighs less than we thought- and it’s missing dark matter