Als reiner Mathematiker ausgebildet, sehe ich Behauptungen über die Masse einer Galaxie und andere solch riesige Messungen, die experimentell erreicht werden, und ich muss mich nur am Kopf kratzen.
Ich weiß, dass dies eine etwas vage Frage ist - aber hat jemand eine gute Ressource für so etwas wie "Messungen in der Astrophysik" oder eine einführende Geschichte darüber, wie Astrophysiker herausgefunden haben, wie man Messungen dieser Art durchführt?
Eine gängige Methode zur Durchführung dieser Messungen ist der Gravitationslinseneffekt. Grundsätzlich betrachten Astronomen ein entferntes Objekt, das sich direkt hinter der betreffenden Galaxie befindet. Da die Galaxie so massereich ist, beugt sie das Licht des weiter entfernten Objekts um sie herum, sodass wir ein Bild des Objekts sehen, das um einen Winkel von seiner tatsächlichen Position am Himmel verschoben ist. Für ein entferntes Objekt in der richtigen Position können wir mehrere Bilder sehen, eines von nach links abgelenktem Licht und eines von nach rechts abgelenktem Licht. Die Messung des Winkelabstands zwischen ihnen ermöglicht es Ihnen, den Winkel zu berechnen, um den das Licht gebogen wurde, und wiederum die Masse der Galaxie zu bestimmen, die erforderlich ist, um diese Ablenkung zu erzeugen.
Bei weniger massereichen, aber näheren Galaxien, nahe genug, um die Spektren einzelner Sterne aufzulösen, können wir die Doppler-Verschiebungen der Spektren von Sternen auf der vorrückenden Seite der Galaxie und auf der zurückweichenden Seite messen, und die Differenz ergibt (zweimal ) die Tangentialgeschwindigkeit der Sterne an diesem Radius, die mit der in diesem Radius enthaltenen Masse zusammenhängt. Die Messung der Spektren von Sternen am Rand der Galaxie oder zB in einem Kugelsternhaufen, der die Galaxie umkreist, kann Ihnen die Gesamtmasse der Galaxie liefern.
Die beste Methode zur Messung der Masse ist im Prinzip die Verwendung von Gravitationslinsen, wie in der ersten geposteten Antwort auf diese Frage erwähnt. Die Anwendung dieser Methode ist jedoch erst seit relativ kurzer Zeit möglich, zum Teil, weil Lensing relativ selten ist und eine "glückliche" Ausrichtung der Quelle und der Linse erfordert, und daher eine große Teleskopuntersuchung, um genug davon zu finden, und mit einer hervorragenden räumlichen Auflösung (typischerweise unter einer Bogensekunde), um die Quellbilder aufzulösen. Darüber hinaus ist es im Detail schwer anwendbar. Sie kennen das „Dichteprofil“ (radiale Verteilung der Masse in der Galaxie) a priori nicht, also musst du messen. Daher müssen Sie idealerweise mehrere Lichtquellen hinter einer einzelnen Galaxie an verschiedenen Winkelpositionen haben, so dass jede Quelle die Galaxienmasse M (R) untersucht, die in einem bestimmten Radius eingeschlossen ist. Dies kann mit der Methode namens schwacher Gravitationslinseneffekt erfolgen (und es würde den Rahmen der Frage sprengen, darüber zu sprechen). Jedenfalls hat diese Art der Messung erst in den letzten Jahren begonnen.
Traditionell wird in der Astrophysik die Masse der Galaxie stattdessen mit verschiedenen dynamischen Methoden gemessen, bei denen die Geschwindigkeiten von Sternen in die Masse umgerechnet werden. Aber ich stimme Ernie nicht zu, dass dies mit Newtons Gesetzen einfach zu tun ist. Zu den Schwierigkeiten gehört die Tatsache, dass Sie mit Spektroskopie nur die radiale (und nicht die tangentiale) Geschwindigkeit des/der Sterne(s) messen; dass die Verteilung der Masse der Galaxie möglicherweise nicht kugelsymmetrisch ist usw.
Traditionell haben die Menschen den Virialsatz verwendet, der am bekanntesten zuerst von Fritz Zwicky im Jahr 1933 verwendet wurde, um die Masse des Coma-Galaxienhaufens zu messen. Bei diesem Ansatz kann man unter bestimmten Annahmen die Masse des Haufens mit der Geschwindigkeitsdispersion von Galaxien entlang der Sichtlinie in Beziehung setzen, und Sie können letztere messen, wie in dem früheren Beitrag zu dieser Frage beschrieben. (Diese brillante Logik, die damals vorhandene Messungen verwendete, veranlasste Zwicky zu der Ankündigung, dass Coma von unsichtbarer, dunkler Materie dominiert werden muss).
Es gibt auch andere Methoden, um Massen zu bekommen, aber sie sind unordentlich. Typischerweise leitet man das Masse-zu-Licht-Verhältnis des Objekts (M/L) ab und misst dann L, um M zu erhalten. Diese Ansätze weisen erhebliche Unsicherheiten auf. Daher ist Gravitationslinsen, wie im obigen Beitrag erwähnt, im Prinzip die sauberste Methode.
BBischof