Криві Обертання Галактик: Рівний Кривий, Що Виявив Темну Матерію

Графік, який мав сходитися вниз, але не зрозумчався

Якщо б маса спіральної галактики домінувала над видимими зірками та газом, зосереджевшись навколо її яскравого центрального випину, то зірки далеко від краю диску мали б обертатися повільніше, ніж зірки ближче до центру, так само як Юпітер обертається навколо Сонця повільніше, ніж Меркурій. Це очікування називається Кеплюховим спадом і безпосередньо випливає з ньютонівської гравітації, якщо відомо, як розподілений видимий масив. Коли астрономи вимірювали швидкість обертання зірок та газу на різних відстанях від центрів спіральних галактик, крива не падала. Вона практично залишилася рівною, далеко за межами того місця, де більшість видимої світла вже згаснуло.

Вимірювання кривої, яку неможливо побачити обличчям до

Обертальні криві будуються на основі зсуву Доплера світла або радіовипромінювання газу та зірок, що обертаються навколо галактики: матеріал, що рухається до Землі, збуджується в блакитний колір, а матеріал, що віддаляється, червоніє, і величина цього зсуву безпосередньо дає швидкість обертання на кожній відстані, незалежно від невизначеності відстані. Роботи Віри Рубін та Кента Форда, систематичні оптичні вимірювання в 1970-х роках, пізніше розширені до значно більших радіусів за допомогою 21-сечовинного радіоліній нейтрального водню - який простягається далеко за межі, де зникає видиме світло галактики - робили неможливим відкинути рівність цих кривих як випадковість невеликої кількості незвичайних галактик.

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

Вирішення: ореол матерії, що не світиться

Для досягнення рівномірного обертання на великих відстанях у стандартних гравітаційних умовах, загальна маса, закрита системою, повинна приблизно збільшуватися пропорційно радіусу, навіть якщо видиме світло вже згасло – тобто, якщо кожна галактика вбудована у значно більший, приблизно сферичний ореол матерії, який сприяє гравітаційному впливу, але не випромінює виявленого світла. Цей невидимий компонент астрономи називають темною матерією, а криві обертання галактик залишаються одним із найбільш прямих і широко поширених доказів її існування, поряд з незалежними лініями, такими як гравітаційне лінзування та велика структура космосу.

Альтернативи та чому темна матерія все ще перемагає

Не всі астрофізики прийняли нову невидиму речовину без боротьби. Альтернативний підхід, названий Змінений Ньютонівський Динаміка (MOND), пропонує замість цього, що гравітація відхиляється від стандартного інверсального-квадратного закону на надзвичайно низьких прискореннях, які зустрічаються на окраїнах галактик, і це може досить добре відтворювати багато окремих кривих обертання без жодної темної матерії. MOND, однак, не може одночасно пояснити весь спектр доказів — динаміку кластерів галактик, карти гравітаційного лінзування та деталі структури космічного мікрохвильового фону, усі з яких схиляються до реального компоненту маси замість зміненого закону сили, тому модель темної матерії у вигляді гало залишається стандартним поясненням, навіть якщо точна природа темної матерії все ще невідома.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

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