🌑 Темна матерія — криві обертання галактик

Темна матерія — це форма матерії, яка не взаємодіє з електромагнітною силою — вона не випромінює, не відбиває й не поглинає світло — проте має гравітаційну масу. Вона становить приблизно 85% усієї матерії Всесвіту. Її точна природа невідома: провідні кандидати включають слабко взаємодіючі масивні частинки (WIMP), аксіони й стерильні нейтрино, але жодну з них досі не виявили безпосередньо в лабораторії.

Використовуйте повзунки на панелі керування, щоб регулювати масу диска, масштабний радіус диска, масу балджа, масу гало темної матерії та масштабний радіус NFW. Вигляд «Крива обертання» показує кругову швидкість залежно від радіуса в кілопарсеках, з окремими кольоровими лініями для диска (жовта), балджа (червона), гало темної матерії (фіолетова) і загальної кривої (блакитна). Встановіть масу гало на нуль, щоб побачити кеплерівський спад без темної матерії, потім збільшуйте її, щоб відповідати пласкій спостережуваній кривій.

Без гало темної матерії кругова швидкість за межами видимого диска мала б спадати приблизно як v ∝ r^-½ — той самий кеплерівський спад, що спостерігається серед планет Сонячної системи. Спостереження натомість показують, що швидкість залишається приблизно сталою (пласкою) до радіусів 30-50 кпк і далі. Ця пласкість вимагає додаткової охопленої маси, що зростає пропорційно радіусу, яку забезпечує розширене гало темної матерії з густиною за профілем NFW.

Профіль Наварро-Френка-Уайта (NFW) був виведений 1996 року з космологічних N-тільних симуляцій холодної темної матерії. Він описує густину гало як rho(r) = rho_0 / [(r/r_s)(1+r/r_s)^2], де r_s — масштабний радіус. На малих радіусах густина зростає як 1/r (пік), а на великих спадає як 1/r^3. Охоплена маса зростає логарифмічно, даючи майже пласку криву обертання в широкому діапазоні радіусів.

Крива обертання Чумацького Шляху пласка на рівні приблизно 220 км/с від приблизно 5 кпк до щонайменше 60 кпк. Андромеда (M31) демонструє схожу поведінку. Серед найяскравіших прикладів — галактики низької поверхневої яскравості (LSB), що майже не містять видимих зір у зовнішніх областях, але показують ту саму пласку криву — тобто гало темної матерії повністю домінує.

Модифікована ньютонівська динаміка (MOND), запропонована Мордехаєм Мілгромом 1983 року, припускає, що гравітація поводиться інакше за дуже низьких прискорень, природно даючи пласкі криві обертання без темної матерії. MOND добре описує багато окремих галактик, але має труднощі з поясненням динаміки скупчень галактик (зокрема скупчення Куля), спектру анізотропії реліктового випромінювання й формування великомасштабної структури.

Фріц Цвіккі вперше зробив висновок про відсутню масу в скупченні галактик Волосся Вероніки 1933 року за швидкостями галактик-членів. Хорас Бебкок виміряв зростаючу криву обертання в Андромеді ще 1939 року. Систематичне підтвердження надійшло від Вери Рубін і Кента Форда, починаючи з 1970 року, які виміряли криві обертання десятків спіральних галактик високочутливими спектрографами.

Окрім кривих обертання, темну матерію підтверджують гравітаційне лінзування (скупчення галактик викривляють світло набагато сильніше, ніж дозволяє їхня видима маса), скупчення Куля (де два зіштовхнуті скупчення показують, що газ уповільнюється через електромагнетизм, тоді як гало темної матерії пройшли одне крізь одне), спектр потужності реліктового випромінювання та симуляції великомасштабної структури.