Один из способов определить массу галактики — это изучить её кривую вращения, измерить скорость звёзд в галактике в зависимости от их расстояния от галактического центра. Скорость, с которой звезда обращается, пропорциональна количеству массы на её орбите, поэтому по кривой вращения галактики можно построить график распределения функции массы по радиусу и получить представление об общей массе галактики. Учёные измерили кривые вращения для нескольких близлежащих галактик, например, Андромеды, поэтому очень точно знают массы многих галактик.

Но поскольку мы находимся внутри самого Млечного Пути, мы не имеем хорошего обзора звёзд по всей галактике. В направлении центра галактики так много газа и пыли, что мы не можем даже видеть звёзды на дальней стороне. Поэтому вместо этого учёные измеряют кривую вращения с использованием нейтрального водорода, который излучает слабый свет с длиной волны около 21 сантиметра. Это не такой точный метод, как измерения звёзд, но он всё же дал общее представление о массе нашей галактики. 

Распределение звёзд в галактике по данным обзора Gaia. Источник: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt

Также астрономы изучили движения шаровых скоплений, вращающихся в гало Млечного Пути. Из этих наблюдений наилучший оценочный вариант массы Млечного Пути составляет около одного триллиона солнечных масс, с небольшими погрешностями.

Это новое исследование основано на третьем наборе данных космического аппарата Gaia. Он содержит информацию о положении более чем 1,8 миллиарда звёзд и о движениях более чем 1,5 миллиарда звёзд. Хотя это всего лишь доля оцененного числа звёзд в нашей галактике, которое составляет от 100 до 400 миллиардов, это достаточно большое количество для расчета точной кривой вращения. 

Именно это и сделала команда учёных. Полученная кривая вращения настолько точна, что команда смогла определить закон Кеплера для внешнего региона Млечного Пути, где скорости звёзд начинают снижаться, соответствуя закону Кеплера, поскольку практически вся масса галактики находится ближе к галактическому центру.

Закон Кеплера позволяет команде установить четкий верхний предел для массы Млечного Пути. И то, что они обнаружили, оказалось довольно удивительно. Наилучшее соответствие данных оценило массу примерно в 200 миллиардов солнечных масс, что является пятой частью от предыдущих оценок. Абсолютный верхний предел для массы Млечного Пути составил 540 миллиардов солнечных масс, что означает, что Млечный Путь по крайней мере в два раза меньше, чем считалось ранее. А учитывая известное обычное вещество в галактике, это означает, что Млечный Путь содержит и значительно меньше тёмной материи.