¿Cómo se mide la masa de una galaxia? ¿Y otras cantidades tan grandes?

Una forma común de realizar estas mediciones es la lente gravitatoria. Básicamente, los astrónomos observan algún objeto distante que se encuentra directamente detrás de la galaxia en cuestión. Dado que la galaxia es tan masiva, desvía la luz del objeto más distante a su alrededor, por lo que vemos una imagen del objeto desplazada por algún ángulo desde donde realmente está en el cielo. Para un objeto distante en la posición correcta, podemos ver múltiples imágenes, una de luz desviada hacia la izquierda y otra de luz desviada hacia la derecha. Medir la separación angular entre ellos le permite calcular el ángulo por el cual se desvió la luz y, a su vez, determinar la masa de la galaxia requerida para producir esa desviación.

Para galaxias que son menos masivas pero más cercanas, lo suficientemente cerca como para resolver los espectros de estrellas individuales, podemos medir los desplazamientos Doppler de los espectros de estrellas en el lado de avance de la galaxia y en el lado de retroceso, y tomando la diferencia da (dos veces ) la velocidad tangencial de las estrellas en ese radio, que está relacionada con la cantidad de masa contenida dentro de ese radio. Así que medir los espectros de las estrellas en el borde de la galaxia, o por ejemplo, en un cúmulo globular que orbita alrededor de la galaxia, puede darte la masa total contenida en la galaxia.

La mejor manera de medir la masa es, en principio, usar lentes gravitacionales, como se menciona en la primera respuesta publicada a esta pregunta. Sin embargo, la aplicación de este método se ha vuelto factible solo recientemente, en parte porque la lente es relativamente rara y requiere una alineación 'afortunada' de la fuente y la lente y, por lo tanto, un estudio de telescopio grande para encontrar suficientes y con una resolución espacial excelente (típicamente por debajo de un segundo de arco) para resolver las imágenes de origen. Además, en detalle es difícil de aplicar. No conoces el 'perfil de densidad' (distribución radial de la masa en la galaxia) a priori, entonces necesitas medirlo. Por lo tanto, lo ideal es tener múltiples fuentes de luz detrás de una sola galaxia en diferentes ubicaciones angulares, de modo que cada fuente pruebe la masa M(R) de la galaxia encerrada en algún radio. Esto se puede hacer usando el método llamado lente gravitacional débil (y hablar de ello nos llevaría más allá del alcance de la pregunta). De todos modos, este tipo de medición ha comenzado a ocurrir solo en los últimos años.

Tradicionalmente en astrofísica, la masa de la galaxia se mide utilizando varios métodos dinámicos en los que las velocidades de las estrellas se convierten en masa. Pero no estoy de acuerdo con Ernie en que esto es fácil de hacer usando las Leyes de Newton. Las dificultades incluyen el hecho de que solo está midiendo la velocidad radial (y no tangencial) de la (s) estrella (s) usando espectroscopia; que la distribución de la masa de la galaxia puede no ser esféricamente simétrica, etc.

Tradicionalmente, la gente ha utilizado el teorema virial, el más famoso utilizado por primera vez por Fritz Zwicky en 1933 para medir la masa del cúmulo de galaxias Coma. En este enfoque, bajo algunas suposiciones, uno puede relacionar la masa del cúmulo con la velocidad de dispersión de las galaxias a lo largo de la línea de visión, y puede medir esta última como se describe en la publicación anterior a esta pregunta. (Esta lógica brillante, utilizando las medidas existentes en ese momento, llevó a Zwicky a anunciar que Coma debe estar dominada por materia invisible y oscura).

También existen otros métodos para obtener masas, pero son complicados. Por lo general, uno infiere la relación masa-luz del objeto (M/L) y luego mide L para obtener M. Estos enfoques tienen incertidumbres significativas. Por lo tanto, como se mencionó en la publicación anterior, las lentes gravitacionales son, en principio, el método más limpio.