הדרך המדויקת ביותר למדוד את המסה של גופים שמימיים היא להסתכל על האינטראקציות הכבידה שלהם. בשביל החלב שלנו, ניתן להשתמש בתנועות של ענני גז וכוכבים כדי למדוד את מסת הגלקסיה. מדידה זו היא יישום נוסף של החוק השלישי של קפלר, המתייחס לזמן המחזור המסלולי, למרחק הגוף ממרכז המסה של המערכת, ולמסת המערכת. אייזק ניוטון הראה שהתנועה של גוף הנע בתנועה מעגלית נשלטת רק על ידי מסת המערכת הנמצאת בתוך מסלול הגוף. במקרה של מערכת השמש, ברור שהשמש שוכנת בתוך מסלולים של כל כוכבי הלכת ולכן שולטת בתנועתם. במקרה של הגלקסיה, תנועת השמש נשלטת רק על ידי החלק של הגלקסיה שנמצאת בתוך מסלול השמש. מתברר כי הכוכבים החיצוניים למסלול השמש אינם משפיעים על מסלולה. השמש למעשה לא "מרגישה" את האזורים החיצוניים של הגלקסיה. במקרה של כדור הארץ, שאף הוא בעל סימטריה כדורית, כאשר ננוע לעבר כיוון מרכז כדור הארץ, כמות החומר ביננו לבין המרכז תלך ותקטן. כתוצאה מכך, כוח הכבידה ילך ויקטן ואנו נשקול פחות. במרכז כדור הארץ – ללא חומר בינינו לבין המרכז – נהיה חסרי משקל!
באדיבות NASA
אסטרונומים יכולים להשתמש בתנועה המסלולית של השמש כדי לחשב את מסת הגלקסיה ברדיוס של 8.5 קילו-פארסק ממרכז שביל החלב. המסה של הכוכבים עד מסלול השמש המתקבלת מחישוב זה היא כ -1011 מסות שמש, או 100 מיליארד פעמים מסת השמש. על ידי שימוש במידע ממקורות רדיו וסקרים אופטיים, אנו יכולים לשרטט את המהירות המעגלית הממוצעת של החומר במגוון מרחקים שונים מהמרכז הגלקטי. החלוקה של מהירויות אלה כפונקציה של המרחק ממרכז הגלקסיה נקראת עקומת הסיבוב. כצפוי לפי חוקי ניוטון, אין סיבוב במרכז הגלקסיה. במרחק קילו-פארסק מהמרכז מהירות סיבוב גבוהה בשל כוח הכבידה החזק הנובע מצפיפות גבוהה של כוכבים בבליטה גלקטית המרכזית. במרחק השווה למרחק השמש ממרכז הגלקסיה מהירות הסיבוב יורדת מתחת ל- 200 ק"מ/שניה. מה שקורה מעבר למרחק השמש הוא בלתי צפוי ומעניין מאוד. עקומת הסיבוב ממשיכה להיות שטוחה בערך, ללא ירידה במהירות המסלולית באזורים המרוחקים ביותר שניתן למדוד.
גרף A מציגה את המהירות הצפויה לו פיזור החומר היה בהתאם למסה הנראית של הגלקסיה. גרף B מציג את המדידות שבוצעו.
באדיבות וויקיפדיה
זוהי תוצאה מפתיעה ממש. אנו מצפים שהסיבוב של כוכבי הגלקסיה ילך ויקטן ברגע שהחלק הארי של החומר שבדיסק יהיה בתוך המסלול. לגלקסיה ספירלית אין קצה חד, אלא ענני גז וכוכבים ההולכים ונעשים דלילים יותר ויותר עד שהם מתפוגגים אל תוך החלל החשוך. אנו מצפים לעקומת הסיבוב שתשקף את הירידה בצפיפות החומר הגלקטי, לפיכך צפויה ירידה במהירות המסלולית של כוכבים במרחקים הגדולים ביותר בגלקסיה. אסטרונומים מגדירים את רדיוס הדיסק הגלקטי כ- 15 קילו-פארסק, מפני שבמרחק זה נמצאים כ -90% ממסת הדיסק. כתוצאה מכך, אנו מצפים שהמהירות מסלולית מעבר רדיוס זה תלך ותקטן, כמצפה מהחוק השלישי של קפלר. ירידה שכזו ניכרת במערכת השמש – מעבר לרדיוס השמש, הכוללת כמעט את כל המסה במערכת השמש, המהירויות המסלולית של כוכבי הלכת הולכות וקטינות. בגלקסיית שביל החלב, אנו יכולים למצוא ענני גז וקבוצות כוכבים עד למרחק של 20 קילו-פארסק ללא ירידה במהירות מסלולית! למעשה, המהירות אפילו גדילה מעט! האזורים החיצוניים של הדיסק נעים במהירות כפולה מהצפוי, אם החומר הגלוי של הגלקסיה היה מייצג את המסה כולה.
מהירות מסלוליות אלה מציגות תמונה משונה של מסת הגלקסיה שלנו. היא רומזת כי יש יותר חומר בגלקסיה שלנו ממה שניתן לראות בעין, בטלסקופ, או בצלחת רדיו! יישום פשוט של חוק קפלר מציין המסה כוללת של 1011 מסות שמש במסלול של השמש. באזור זה יש הרדיוס מגיע ל- 8.5 קילו-פארסק מהמרכז הגלקטי. מבדיקת המהירות בשולי הדיסק הגלקטי מתקבלת מסת הגלקסיה שגודלה 2 × 1011 מסות שמש, במרחק של 15 קילו-פארסק. מעבר לרדיוס זה ענני הגז והכוכבים כה עמומים שקשה למדוד את תנועותיהם, אולם יש כמה כוכבים בהילה של הגלקסיה שמרחקם מהמרכז מגיע לכדי 40 קילו-פארסק. המהירות של הכוכבים האלה מספקת מדידה של מסת הגלקסיה בקנה מידה הנרחב ביותר. המדד הטוב ביותר של מסת הגלקסיה במרחק זה הוא ל 5 × 1011מסות שמש.
בהתבסס על מדידות אלה ומפקד זהיר של כל חומר גלוי, המוכר כיום בגלקסיה שלנו (וכל גלקסיה אחרת) מורכבת מכוכבים נראים, גז ואבק עטופים בחומר שלא ניתן לזהותו אלא באמצעות כוח הכבידה. חומר זה, הנקרא חומר אפל, זוהה לראשונה בגלקסיות ספירליות בשנות ה- 70, וכיום ידוע כי הוא מהווה 22% מתפוצת האנרגיה של היקום. החומר הנראה מהווה רק 4% ממסת היקום, ומרכיב מסתורי הנקרא אנרגיה אפלה מהווה את השאר. במצב מסקרן זה נדון בפירוט רב יותר בפרק העוסק בקוסמולוגיה.
Author: Chris Impey