Войти
Кривая вращения спиральной галактики Мессье 33 (желтые и синие точки с полосами ошибок) и предсказанная по распределению видимого материя (серая линия). Расхождение между двумя кривыми можно объяснить, добавив ореол темной материи, окружающий галактику. 
Воспроизвести медиа Слева: смоделированная галактика без темной материи. Справа: Галактика с плоской кривой вращения, которую можно было бы ожидать в присутствии темной материи. кривая вращения дисковой галактики (также называемая кривой скорости ) представляет собой график орбитальных скоростей видимых звезд или газа в этой галактике в зависимости от их радиального расстояния от центра этой галактики. Обычно он отображается графически в виде графика , а данные, наблюдаемые с каждой стороны спиральной галактики, обычно асимметричны, поэтому данные с каждой стороны усредняются для создания кривой. Существует значительное расхождение между наблюдаемыми экспериментальными кривыми и кривой, полученной путем применения теории гравитации к веществу, наблюдаемому в галактике. Теории, связанные с темной материей, являются основными постулируемыми решениями для объяснения дисперсии.
Вращательные / орбитальные скорости галактик / звезд не соответствуют правилам, установленным в других орбитальных системах, таких как звезды / планеты и планеты / луны, большая часть массы которых находится в центре. Звезды вращаются вокруг центра своей галактики с одинаковой или увеличивающейся скоростью на большом диапазоне расстояний. Напротив, орбитальные скорости планет в планетных системах и лун, вращающихся вокруг планет, уменьшаются с расстоянием в соответствии с третьим законом Кеплера. Это отражает массовое распределение в этих системах. Оценки массы галактик, основанные на излучаемом ими свете, слишком занижены, чтобы объяснить наблюдения за скоростью.
Проблема вращения галактики заключается в несоответствии между наблюдаемыми кривыми вращения галактик и теоретическим предсказанием, предполагая, что центрально доминирующая масса связана с наблюдаемым светящимся материалом. Когда профили масс галактик вычисляются из распределения звезд в спиралях и отношения массы к свету в звездных дисках, они не совпадают с массами, полученными из наблюдаемого вращения. кривые и закон всемирного тяготения. Решение этой головоломки состоит в том, чтобы выдвинуть гипотезу о существовании темной материи и предположить ее распространение от центра галактики до ее гало.
, хотя темная материя, безусловно, является наиболее приемлемым объяснением этого явления. проблема ротации, другие предложения предлагались с разной степенью успеха. Из возможных альтернатив наиболее заметной является модифицированная ньютоновская динамика (MOND), которая включает изменение законов гравитации.
В 1932 году Ян Хендрик Оорт стал первым, кто сообщил, что измерения звезд в окрестности Солнца показали, что они движутся быстрее, чем ожидалось, когда распределение массы, основанное на предполагалась видимая материя, но позже было установлено, что эти измерения по существу ошибочны. В 1939 году Гораций Бэбкок в своей докторской диссертации сообщил об измерениях кривой вращения Андромеды, в которых предполагалось, что отношение массы к светимости увеличивается в радиальном направлении. Он объяснил это либо поглощением света внутри галактики, либо измененной динамикой во внешних частях спирали, а не какой-либо формой недостающего вещества. Оказалось, что измерения Бэбкока существенно расходятся с теми, которые были обнаружены позже, и первое измерение протяженной кривой вращения, хорошо согласующееся с современными данными, было опубликовано в 1957 году Хенком ван де Хюльстом и его сотрудниками, которые исследовали M31 с помощью недавно введенного в эксплуатацию 25-метрового телескопа Двингело. Сопутствующая статья Маартена Шмидта показала, что эта кривая вращения может соответствовать сглаженному распределению массы, более обширному, чем свет. В 1959 году Луиза Волдерс использовала тот же телескоп, чтобы продемонстрировать, что спиральная галактика M33 также не вращается, как ожидалось, согласно кеплеровской динамике.
Отчет о NGC 3115, Ян Оорт писал, что «распределение массы в системе, по-видимому, не имеет почти никакого отношения к распределению света... можно найти, что отношение массы к свету во внешних частях NGC 3115 составляет около 250».. На страницах 302-303 своей журнальной статьи он написал, что «сильно конденсированная светящаяся система кажется заключенной в большую и более или менее однородную массу большой плотности», и, хотя он продолжал предположить, что эта масса может быть либо чрезвычайно слабой карликовой, либо звезд или межзвездного газа и пыли, он ясно обнаружил гало темной материи этой галактики.
Телескоп Карнеги (Двойной астрограф Карнеги) был предназначен для изучения этой проблемы вращения Галактики.
В конце 1960-х - начале 1970-х годов Вера Рубин, астроном из Отделения земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне, работал с новым чувствительным спектрографом, который мог измерять кривую скорости видимой с ребра спирали. галактики с большей степенью точности, чем когда-либо ранее. Вместе с другим сотрудником Кентом Фордом Рубин объявил на собрании Американского астрономического общества в 1975 году об открытии, что большинство звезд в спиральных галактиках вращаются примерно с одинаковой скоростью, и что это подразумевает, что массы галактик растут приблизительно линейно с радиусом, значительно превышающим местоположение большинства звезд (галактический балдж ). Рубин представила свои результаты во влиятельной статье 1980 года. Эти результаты свидетельствуют о том, что либо ньютоновская гравитация не применима повсеместно, либо, по консервативным оценкам, более 50% массы галактик содержится в относительно темном галактическом гало.. Хотя первоначально результаты Рубина были встречены скептицизмом, они были подтверждены в последующие десятилетия.
Если ньютоновская механика считается правильной, из этого следует, что большая часть массы галактики должна была измениться. находиться в галактическом балдже около центра и что звезды и газ в части диска должны вращаться вокруг центра с уменьшающимися скоростями с радиальным расстоянием от центра галактики (пунктирная линия на рис. 1).
Наблюдения кривой вращения спиралей, однако, этого не подтверждают. Скорее, кривые не уменьшаются в соответствии с ожидаемой зависимостью обратного квадратного корня, а являются «плоскими», то есть вне центральной выпуклости скорость почти постоянна (сплошная линия на фиг. 1). Также наблюдается, что галактики с равномерным распределением светящейся материи имеют кривую вращения, которая поднимается от центра к краю, и большинство галактик с низкой поверхностной яркостью (галактики LSB) имеют такую же кривую аномального вращения..
Кривые вращения можно объяснить гипотезой о существовании значительного количества вещества, пронизывающего галактику за пределами центральной выпуклости, которое не излучает свет в соотношении массы к свету центральная выпуклость. Материал, ответственный за дополнительную массу, был назван темной материей, о существовании которой впервые заявил в 1930-х годах Ян Оорт в своих измерениях констант Оорта и Фрица Цвикки. в своих исследованиях масс скоплений галактик. Существование небарионной холодной темной материи (CDM) сегодня является важной особенностью модели лямбда-CDM, которая описывает космологию Вселенная.
Для того, чтобы учесть плоскую кривую вращения, профиль плотности галактики и ее окрестностей должен отличаться от профиля с центральной концентрацией. Версия Ньютона Третьего закона Кеплера подразумевает, что сферически-симметричный радиальный профиль плотности ρ (r) равен:
где v (r) - профиль радиальной орбитальной скорости, а G - гравитационная постоянная. Этот профиль близко соответствует ожиданиям сингулярного изотермического профиля сферы, где, если v (r) приблизительно постоянна, то плотность ρ ∝ r до некоторого внутреннего «радиуса сердцевины», где плотность считается постоянной. Наблюдения не согласуются с таким простым профилем, как сообщили Наварро, Френк и Уайт в основополагающей статье 1996 года.
Затем авторы отметили, что «плавно изменяющийся логарифмический наклон» для функции профиля плотности может также приспособлены к приблизительно плоским кривым вращения в больших масштабах. Они нашли знаменитый профиль Наварро – Френка – Уайта, который согласуется как с симуляцией N-тела, так и с наблюдениями, заданными как
где центральная плотность, ρ 0, и масштабный радиус, R s, параметры, которые меняются от ореола к ореолу. Поскольку наклон профиля плотности расходится в центре, были предложены другие альтернативные профили, например, профиль Эйнасто, который показал лучшее согласие с некоторыми моделями гало темной материи.
Наблюдения орбитальных скоростей спиральных галактик предполагают структуру масс в соответствии с:
с Φ галактика гравитационный потенциал.
Поскольку наблюдения за вращением галактик не соответствуют распределению, ожидаемому от применения законов Кеплера, они не соответствуют распределению светящейся материи. Это означает, что спиральные галактики содержат большое количество темной материи или, в качестве альтернативы, существование экзотической физики, действующей в галактических масштабах. Дополнительный невидимый компонент становится все более заметным в каждой галактике на внешних радиусах и среди галактик в менее ярких.
Популярная интерпретация этих наблюдений состоит в том, что около 26% массы Вселенной состоит из темных материя, гипотетический тип материи, которая не излучает и не взаимодействует с электромагнитным излучением. Считается, что темная материя доминирует над гравитационным потенциалом галактик и скоплений галактик. Согласно этой теории, галактики представляют собой барионную конденсацию звезд и газа (а именно H и He), которые лежат в центрах гораздо более крупных ореолов темной материи, подверженных гравитационной нестабильности, вызванной первичными флуктуациями плотности.
Многие космологи стремятся понять природу и историю этих вездесущих темных гало, исследуя свойства галактик, которые они содержат (т.е. их светимость, кинематику, размеры и морфологию). Измерение кинематики (их положения, скорости и ускорения) наблюдаемых звезд и газа стало инструментом для исследования природы темной материи в том, что касается ее содержания и распределения по сравнению с различными барионными компонентами этих галактик.
Сравнение вращающихся дисковых галактик в современной (слева) и далекой Вселенной (справа). Динамика вращения галактик хорошо характеризуется их положением на Соотношение Талли – Фишера, которое показывает, что для спиральных галактик скорость вращения однозначно связана с их полной светимостью. Последовательный способ предсказать скорость вращения спиральной галактики - это измерить ее болометрическую светимость, а затем определить скорость вращения по ее местоположению на диаграмме Талли – Фишера. И наоборот, знание скорости вращения спиральной галактики дает ее светимость. Таким образом, величина вращения галактики связана с видимой массой галактики.
Хотя точное соответствие профилей плотности балджа, диска и гало является довольно сложным процессом, моделировать наблюдаемые вращающиеся галактики несложно. через эти отношения. Таким образом, хотя современные космологические модели и моделирование формирования галактик темной материи с включенной нормальной барионной материей могут быть сопоставлены с наблюдениями галактик, пока нет прямого объяснения, как почему существует наблюдаемая зависимость масштабирования. Кроме того, подробные исследования кривых вращения галактик с низкой поверхностной яркостью (галактик LSB) в 1990-х годах и их положения в соотношении Талли – Фишера показали, что галактики LSB должны иметь темную материю. гало, которые более протяженные и менее плотные, чем у галактик HSB, и, таким образом, поверхностная яркость связана со свойствами гало. Такие карликовые галактики с преобладанием темной материи могут содержать ключ к решению проблемы карликовых галактик формирования структуры.
Очень важно, что анализ внутренних частей низких галактики с высокой поверхностной яркостью показали, что форма кривых вращения в центре систем с преобладанием темной материи указывает на профиль, отличный от профиля пространственного распределения массы NFW. Эта так называемая проблема каспид-гало является постоянной проблемой для стандартной теории холодной темной материи. В этом контексте часто используются моделирование, включающее обратную связь звездной энергии в межзвездную среду, чтобы изменить предсказанное распределение темной материи в самых внутренних областях галактик.
Там Было предпринято несколько попыток решить проблему вращения галактик путем изменения гравитации без использования темной материи. Одним из наиболее обсуждаемых является Модифицированная ньютоновская динамика (MOND), первоначально предложенная Мордехаем Милгромом в 1983 году, которая изменяет закон Ньютона при малых ускорениях для усиления эффективного гравитационного притяжения. MOND добился значительных успехов в предсказании кривых вращения галактик с низкой поверхностной яркостью, соответствующих барионному соотношению Талли – Фишера и дисперсии скоростей малых галактик-спутников Местной группы.
Использование По данным базы данных Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC), группа обнаружила, что радиальное ускорение, отслеживаемое кривыми вращения, можно предсказать только на основании наблюдаемого распределения барионов (то есть, включая звезды и газ, но не темную материю). То же соотношение хорошо подходит для 2693 образцов в 153 вращающихся галактиках с различными формами, массами, размерами и долями газа. Яркость в ближнем ИК-диапазоне, где преобладает более стабильный свет от красных гигантов, использовалась для более согласованной оценки вклада плотности, обусловленного звездами. Результаты согласуются с MOND и ограничивают альтернативные объяснения, включающие только темную материю. Однако космологическое моделирование в рамках Lambda-CDM, которое включает в себя эффекты барионной обратной связи, воспроизводит те же отношения без необходимости задействовать новую динамику (такую как MOND). Таким образом, вклад самой темной материи можно полностью предсказать, исходя из вклада барионов, если принять во внимание эффекты обратной связи из-за диссипативного коллапса барионов. MOND не является релятивистской теорией, хотя были предложены релятивистские теории, которые сводятся к MOND, такие как тензорно-векторная-скалярная гравитация (TeVeS), скалярно-тензорно-векторная гравитация (STVG), и f (R) теория Капоцциелло и Де Лаурентиса.
Была также предложена модель галактики, основанная на метрике общей теории относительности, показывающей, что кривые вращения для Млечного Пути, NGC 3031, NGC 3198 и NGC 7331 согласуются с распределением плотности массы видимого материи, избегая необходимости в массивном ореоле экзотической темной материи.
Согласно анализу 2020 года данных, полученных с космического корабля Gaia, казалось бы возможным объяснить, по крайней мере, кривую вращения Млечного Пути, не требуя каких-либо темная материя, если вместо ньютоновского приближения будет принята вся система уравнений общей теории относительности.
