Krzywe obrotowe galaktyk: Płaska Krzywa Odkrywająca Materię Ciemną

Krzywa, która powinna była spadać, ale nie spadła

Jeśli masa galaktyki spiralnej była dominowana przez gwiazdy i gaz widoczne - skupione w jej jasnym centralnym buldżu - to gwiazdy dalej na dysku powinny obiecanie się wolniej niż gwiazdy bliżej, podobnie jak Jowisz krąży pookoło Słońca wolniej niż Merkury. Ta oczekiwana zależność nazywana jest spadek keplerski i wynika bezpośrednio z grawitacji newtonowskiej, gdy znasz rozkład widocznej masy. Gdy astronomyi rzeczywiście mieli obserwować, jak szybko gwiazdy i gaz obiecania się na różnych odległościach od centrum galaktyk spiralnych, krzywa nie spadła. Została prawie idealnie płaska, dalej niż tam, gdzie już prawie zniknęło większość światła widocznej.

Miernienie krzywej, której nie można zobaczyć na bieżąco

Krzywe obrotowe są budowane z przesunięcia Dopplera światła lub emisji radiowej od gazu i gwiazd obiegających galaktykę: materiał poruszający się w kierunku Ziemi jest przesunięty do niebieskiego, a materiał poruszający się w odwrotnej kierunku - do czerwonego. Rozmiar tego przesunięcia daje prędkość obiegu na każdym promieniu bezpośrednio, niezależnie od niepewności odległości. Systematyczne pomiarowe pomiary optyczne Vera Rubin i Kenta Forda w latach 70. XX wieku, które zostały rozszerzone do większych promieni wykorzystując linię 21-centymetrową radiową neutralnego gazu hidroginu - która sięga dalej niż miejsce, gdzie światło gwiazd widoczne galaktyki zaniknie - uczyniły nierównomierność tych krzywych niemożliwą do ignorowania jako przypadek kilku niezwyklej galaktyki.

expected (visible matter only), Kepler-like:
  v(r) ~ sqrt( G * M_enclosed / r )   with M_enclosed roughly constant
                                       once past most of the visible mass
  -> v decreases as r increases

observed:
  v(r) stays roughly flat out to large r
  -> M_enclosed must keep growing with r, well past the
     edge of the visible disk - implying an unseen mass component

Rozwiązanie: chwała materiały, która nie świeci

Krzywe obrotowe płaskie na dużych promieniach są możliwe jedynie w ramach standardowej teorii grawitacji, jeśli masa zawarta wewnątrz jest rosnąca prawie proporcjonalnie do promienia, nawet gdy światło gwiazd już zanika - inaczej mówiąc, jeśli każda galaktyka jest umieszczona w większym, prawie sferoidalnym chwale materiału, który przyczynia się do grawitacji, ale nie emituje widocznej światła. Ten niewidzialny składnik to, co astronomyi nazywają materią ciemną, a krzywe obrotowe pozostają jednym z najprostszych i najczęściej cytowanych dowodów jej istnienia, razem z niezależnymi liniami takimi jak lustrzanie grawitacyjne i struktura na dużą skalę kosmicznego sieciu.

Alternatywy, i dlaczego ciemna materja nadal wygrywa

Nie każdy astronomiczny fizyk przyjął nową, niewidzialną substancję bez walki. Alternatywny podejście oznaczone nazwą Dynamiki Zmodyfikowanej Newtona (MOND) sugeruje, że grawitacja sama w sobie odchodzi od standardowej proroctwa kwadratowej przy ekstremalnie niskich przyspieszeniach znalezionych na zewnątrz galaktyk, co może wyjaśnić wiele indywidualnych krzywych obrotowych bez żadnej ciemnej materii. MOND jednak staje się problematyczne przy próbie wyjaśnienia pełnego zakresu dowodów - dynamika grup galaktycznych, mapy lustrzanej grawitacji i szczegółowy wzór tła mikrofalowego kosmicznego wszystko przeważnie zasięgną na rzecz istniejącej komponentu masowego nad zmodyfikowanym prawem sił. Stąd powstaje model hulaku ciemnej materii jako standardowa interpretacja, nawet jeśli nieznan jest dokładny charakter cząsteczkowy ciemnej materii.

Często zadawane pytania