Темна матерія: криві обертання галактик та докази невидимої маси

Неоплатонова очікування проти плоскої кривої

Для тестового маси, що обертається навколо сферично симетричної масової розподілу M(r), Ньютонівська гравітація передбачає v(r) = √(GM(r)/r). Поза краями видимої диска галактики, M(r) припиняє зростати — майже вся світловипромінююча речовина знаходиться в добре визначеному радіусі — тому v(r) має падати як 1/√r, точно так само, як і зовнішні планети, що обертаються навколо Сонця. У 1970-х роках астроном Віра Рубін, працюючи з Кентом Фордом, вимірювала криві обертання для десятків спіральних галактик за допомогою чутливого спектрометра і знайшла протилежне: криві залишалися плоскими, а іноді навіть зростали, далеко за межами видимого диска. Єдиний спосіб пояснити плоску криву полягає в тому, що M(r) продовжує зростати з радіусом — величезний резерв невидимої маси в розширеному халі.

v(r) = √(G·M(r)/r) → якщо v(r) = v₀ = постійна (плоска крива) то M(r) ∝ r ← маса зростає лінійно з радіусом, не обмежена ρ(r) ∝ 1/r² ← ізотермічна сфера щільності, перший халовий модель Роботу Рубін, будуючи на дослідженні Фріца Звіцкі в 1933 році щодо туманності Кома, перетворила темну матерію з нотатки в центральну проблему сучасної астрофізики. Спостережувані криві обертання передбачають, що спіральні галактики містять приблизно 5–10 разів більше маси темної матерії, ніж звичайна зірка, газ і пил у сукупності — незалежно підтверджено гравітаційним лінзуванням та космічним мікрохвильовим фоном.

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

NFW гало профіль

Н-ті космологічні симуляції формування структури (Navarro, Frenk та White, 1996) показали, що холодний темний матеріал утворює гало, яке майже універсально має форму – NFW профіль: ρ(r) = ρ₀ / [(r/rₛ)(1+r/rₛ)²]. Ближче до центру (r ≪ rₛ) щільність розбігається як 1/r — гострий "випинений" ядро, яке все ще обговорюється проти більш рівномірних "якорних" профілів, запропонованих спостереженнями карликових галактик (проблема якор-випинення). На великих відстанях від центру (r ≫ rₛ) щільність падає як 1/r³, що крутіше, ніж ізотермічна сфера, тому реальні криві обертання плавно знижуються на дуже великих радіусах замість того, щоб залишатися абсолютно рівними вічно. Зорі та газ вносять лише приблизно 10–15% маси галактики; темний гало забезпечує решту – близько 85–90%, і він розповсюджується на кілька разів далі, ніж видимий диск.

MOND: альтернативна теорія

Modified Newtonian Dynamics (MOND), запропонована Мордехаєм Мілґромом у 1983 році, пропонує інший підхід: замість додавання невидимої маси, вона модифікує гравітацію само по собі нижче межі прискорення a₀ ≈ 1.2×10⁻¹⁰ м/с². MOND вражаюче добре відповідає окремим кривим обертання галактик з дуже малою кількістю вільних параметрів, але має труднощі з поясненням гравітаційного лінзування на рівні кластерів та тонкої структури космічного мікрохвильового фону – обох явищ, які чітко пояснюються холодною темною матерією. Більшість космологів вважають темну матерію домінуючим поясненням, а MOND залишається активним напрямом досліджень меншості.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.