Ciemna Materia: Krzywe Obrotu Galaktyk i Dowody na Niewidzialną Masę

O oczekiwanym wyniku Newtonowskiego i płaska krzywa

Dla testowej masy poruszającej się po symetrycznym rozkładzie masy M(r), zgodnie z prawem powszechnego ciążenia Newtona, prędkość orbitalna v(r) wynosi √(GM(r)/r). Po brzegu widocznej dysku galaktyki, M(r) przestaje rosnąć – prawie cała światłoczuła materia znajduje się w dobrze zdefiniowanym promieniu – więc v(r) powinna spadać jak 1/√r, tak jak to obserwujemy przypadku planet orbitujących wokół Słońca. W latach 70-tych astronom Vera Rubin, wspólnie z Kentem Fordem, zmierzyła krzywe obrotu dla kilkudziesięciu galaktyk spiralnych, używając wrażliwej spektrografii i odkryła coś zupełnie innego: krzywe pozostawały płaskie, a nawet rosły, daleko poza widoczną dysk. Jedynym sposobem na wyjaśnienie płaskiej krzywej jest to, że M(r) nadal rośnie wraz z promieniem – ogromny rezerwu niewidzialnej masy w rozciągniętym halo.

v(r) = √(G·M(r)/r) → jeśli v(r) = v₀ = stała (płaska krzywa) then M(r) ∝ r ← masa rośnie liniowo z promieniem, nie jest ograniczona ρ(r) ∝ 1/r² ← izotermiczna-sferowa gęstość, pierwszy model halo Praca Rubina, oparta na badaniu Fritz Zwicky'ego z 1933 roku gromady galaktyki Coma, uczyniła ciemną materię z notatki przypisanej do centralnego problemu współczesnej astrofizyki. Obserwowane krzywe obrotu sugerują, że galaktyki spiralne zawierają w przybliżeniu 5–10 razy więcej masy w postaci ciemnej materii niż w postaci zwykłych gwiazd, gazu i pyłu połączonych – niezależnie potwierdzona przez pryzmatyczne zakrzywienie grawitacyjne i tło kosmicowe mikrofalowe.

v(r) = √(G·M(r)/r) → if v(r) = v₀ = constant (flat curve)
then M(r) ∝ r  ← mass grows linearly with radius, not bounded
ρ(r) ∝ 1/r²   ← isothermal-sphere density, first halo model

Profil NFW

Symulacje n-ciałowe kosmologiczne procesu formowania się struktur (Navarro, Frenk i White, 1996) wykazały, że halo zimnego ciemnego materiału przyjmuje zbliżony do siebie kształt, zwany profilem NFW: ρ(r) = ρ₀ / [(r/rₛ)(1+r/rₛ)²]. W pobliżu środka (r ≪ rₛ) gęstość rośnie wykładniczo, czyli jest równa 1/r — ostre, "wypukłe" jądro, które wciąż budzi kontrowersje wobec bardziej płaskich, "rozległych" profili sugerowanych na podstawie obserwacji małych galaktyk (problem jądra-wypukłości). Na dużych odległościach (r ≫ rₛ) gęstość maleje jak 1/r³, co jest bardziej stromo niż w przypadku sfery izotermicznej, dlatego rzeczywiste krzywe obrotu łagodnie opadają na bardzo dużych promieniach zamiast pozostawać idealnie płaskie bez końca. Gwiazdy i gaz przyczyniają się jedynie do około 10–15% masy galaktyki; ciemne halo dostarcza pozostałe 85–90% i rozciąga się o kilka razy dalej niż widoczny dysk.

MOND: alternatywna teoria

Zmienione Dynamics Newtona (MOND), zaproponowana przez Mordechaja Milgroma w 1983 roku, podąża inną ścieżką: zamiast dodawać niewidzialną masę, modyfikuje ona samą grawitację poniżej skali przyspieszenia a₀ ≈ 1,2×10⁻¹⁰ m/s². MOND doskonale pasuje do pojedynczych krzywych obrotu galaktyk z bardzo niewielką liczbą parametrów branych pod uwagę, jednak ma problemy ze wyjaśnieniem korygowania grawitacyjnego w skali skupiskowej oraz drobnej struktury tła kosmicznego mikrofalowego – obie te rzeczy są czysto wyjaśnione przez zimną ciemną materię. Większość kosmologów uważa ciemną materię za dominującą wyjaśnienie, a MOND pozostaje aktywnym programem badawczym prowadzonym w mniejszości.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz the simulation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.