Кривая вращения галактики - Galaxy rotation curve

Кривая вращения спиральной галактики Мессье 33 (желтые и синие точки с полосами ошибок) и предсказанная по распределению видимого вещества (серая линия). Расхождение между двумя кривыми можно объяснить добавлением гало темной материи, окружающего галактику.
Слева: смоделированная галактика без темной материи. Справа: Галактика с плоской кривой вращения, которой можно было бы ожидать от темной материи.

Кривая вращения из галактики диска (также называемой кривой скорости ) представляет собой график орбитальных скоростей видимых звезд или газа в этой галактике по сравнению с их радиального расстояния от центра этой галактики. Обычно он отображается графически в виде графика , а данные, наблюдаемые с каждой стороны спиральной галактики, обычно асимметричны, поэтому данные с каждой стороны усредняются для создания кривой. Существует значительное расхождение между наблюдаемыми экспериментальными кривыми и кривой, полученной путем применения теории гравитации к веществу, наблюдаемому в галактике. Теории, связанные с темной материей, являются основными постулируемыми решениями для объяснения дисперсии.

Скорость вращения / орбиты галактик / звезд не соответствует правилам, установленным в других орбитальных системах, таких как звезды / планеты и планеты / луны, большая часть массы которых находится в центре. Звезды вращаются вокруг центра своей галактики с одинаковой или увеличивающейся скоростью на большом диапазоне расстояний. Напротив, орбитальные скорости планет в планетных системах и лун, вращающихся вокруг планет, уменьшаются с расстоянием в соответствии с третьим законом Кеплера . Это отражает массовое распределение внутри этих систем. Оценки массы галактик на основе излучаемого ими света слишком занижены, чтобы объяснить наблюдения за скоростью.

Проблема вращения галактики - это несоответствие между наблюдаемыми кривыми вращения галактики и теоретическим предсказанием, предполагающим, что центрально преобладающая масса связана с наблюдаемым светящимся веществом. Когда профили масс галактик рассчитываются на основе распределения звезд по спиралям и отношения массы к свету в звездных дисках, они не совпадают с массами, полученными из наблюдаемых кривых вращения и закона всемирного тяготения . Решение этой головоломки состоит в том, чтобы выдвинуть гипотезу о существовании темной материи и предположить ее распространение от центра галактики до гало .

Хотя темная материя, безусловно, является наиболее приемлемым объяснением проблемы вращения, другие предложения были предложены с разной степенью успеха. Из возможных альтернатив одной из наиболее заметных является модифицированная ньютоновская динамика (MOND), которая включает изменение законов гравитации.

История

В 1932 году Ян Хендрик Оорт стал первым, кто сообщил, что измерения звезд в окрестностях Солнца показали, что они движутся быстрее, чем ожидалось, когда предполагалось распределение массы, основанное на видимой материи, но эти измерения позже были определены как по существу ошибочные. В 1939 году Гораций Бэбкок в своей докторской диссертации сообщил об измерениях кривой вращения Андромеды, которые предположили, что отношение массы к светимости увеличивается в радиальном направлении. Он объяснил это либо поглощением света внутри галактики, либо измененной динамикой во внешних частях спирали, а не какой-либо формой недостающего вещества. Оказалось, что измерения Бэбкока существенно расходятся с теми, что были обнаружены позже, и первое измерение протяженной кривой вращения, хорошо согласующееся с современными данными, было опубликовано в 1957 году Хенком ван де Хюльстом и его сотрудниками, которые изучали M31 с помощью недавно введенного в эксплуатацию 25-метрового телескопа Двингело. . Сопутствующая статья Маартена Шмидта показала, что эта кривая вращения может соответствовать сглаженному распределению массы, более обширному, чем свет. В 1959 году Луиза Волдерс использовала тот же телескоп, чтобы продемонстрировать, что спиральная галактика M33 также не вращается, как ожидалось согласно кеплеровской динамике .

Сообщая о NGC 3115 , Ян Оорт писал, что «распределение массы в системе, похоже, почти не связано с распределением света ... можно найти, что отношение массы к свету во внешних частях NGC 3115 составляет около 250». . На странице 302–303 своей журнальной статьи он написал, что «сильно конденсированная светящаяся система кажется заключенной в большую и более или менее однородную массу большой плотности», и, хотя он продолжил предположение, что эта масса может быть либо чрезвычайно слабой карликовой, звезды или межзвездный газ и пыль, он ясно обнаружил ореол темной материи этой галактики.

Карнеги телескоп (Carnegie Double Astrograph) был предназначен для изучения этой проблемы вращения Галактики.

В конце 1960-х - начале 1970-х годов Вера Рубин , астроном из отдела земного магнетизма Вашингтонского института Карнеги , работала с новым чувствительным спектрографом, который мог измерять кривую скорости видимых с ребра спиральных галактик с большей степенью точности. чем когда-либо было достигнуто. Вместе со своим коллегой Кентом Фордом Рубин объявил на собрании Американского астрономического общества в 1975 году об открытии того, что большинство звезд в спиральных галактиках вращаются примерно с одинаковой скоростью, и что это означает, что массы галактик растут примерно линейно с радиусом, значительно превышающим расположение большинства звезд ( галактическая выпуклость ). Рубин представила свои результаты во влиятельной статье 1980 года. Эти результаты предполагали, что либо ньютоновская гравитация не применяется повсеместно, либо, по консервативным оценкам, более 50% массы галактик содержится в относительно темном галактическом гало. Хотя первоначально результаты Рубина были встречены скептицизмом, в последующие десятилетия они были подтверждены.

Если предположить, что механика Ньютона верна, из этого следовало бы, что большая часть массы галактики должна была находиться в галактическом выступе около центра, а звезды и газ в части диска должны вращаться вокруг центра с уменьшающимися скоростями с радиальным расстоянием. от центра Галактики (штриховая линия на рис. 1).

Однако наблюдения кривой вращения спиралей этого не подтверждают. Скорее, кривые не уменьшаются в соответствии с ожидаемой зависимостью обратного квадратного корня, а являются «плоскими», то есть вне центральной выпуклости скорость почти постоянна (сплошная линия на рис. 1). Также наблюдается, что галактики с равномерным распределением светящейся материи имеют кривую вращения, которая поднимается от центра к краю, а большинство галактик с низкой поверхностной яркостью (галактики LSB) имеют такую ​​же кривую аномального вращения.

Кривые вращения можно объяснить, выдвинув гипотезу о существовании значительного количества вещества, пронизывающего галактику за пределами центральной выпуклости, которая не излучает свет с отношением массы к свету центральной выпуклости. Материал, ответственный за дополнительную массу, был назван темной материей , о существовании которой впервые заявили в 1930-х годах Ян Оорт в своих измерениях констант Оорта и Фриц Цвикки в своих исследованиях масс скоплений галактик . Существование небарионном холодной темной материи (МЧР) является сегодня важной особенностью модели Lambda-CDM , которая описывает космологию о Вселенной .

Профили плотности гало

Чтобы соответствовать плоской кривой вращения, профиль плотности галактики и ее окрестностей должен отличаться от профиля с центральной концентрацией. Ньютоновская версия третьего закона Кеплера подразумевает, что сферически-симметричный радиальный профиль плотности ρ ( r ) равен:

где v ( r ) - профиль радиальной орбитальной скорости, G - гравитационная постоянная . Этот профиль близко соответствует ожиданиям от сингулярного изотермического профиля сферы, где, если v ( r ) приблизительно постоянна, то плотность ρ ∝ r −2 до некоторого внутреннего «радиуса ядра», где плотность тогда предполагается постоянной. Наблюдения не соответствуют такому простому профилю, как сообщили Наварро, Френк и Уайт в основополагающей статье 1996 года.

Затем авторы отметили, что «плавно изменяющийся логарифмический наклон» для функции профиля плотности может также соответствовать приблизительно плоским кривым вращения в больших масштабах. Они нашли знаменитый профиль Наварро – Френка – Уайта , который согласуется как с моделированием N-тел, так и с наблюдениями, данными

где центральная плотность ρ 0 и масштабный радиус R s - параметры, которые меняются от гало к гало. Поскольку наклон профиля плотности расходится в центре, были предложены другие альтернативные профили, например, профиль Эйнасто , который показал лучшее согласие с некоторыми моделями гало темной материи.

Наблюдения за орбитальными скоростями спиральных галактик предполагают структуру масс согласно:

с Φ гравитационный потенциал галактики .

Поскольку наблюдения за вращением галактик не соответствуют распределению, ожидаемому от применения законов Кеплера, они не соответствуют распределению светящейся материи. Это означает, что спиральные галактики содержат большое количество темной материи или, альтернативно, существование экзотической физики, действующей в галактических масштабах. Дополнительный невидимый компонент становится все более заметным в каждой галактике на внешних радиусах и среди галактик в менее ярких.

Популярная интерпретация этих наблюдений заключается в том, что около 26% массы Вселенной состоит из темной материи, гипотетического типа материи, которая не излучает и не взаимодействует с электромагнитным излучением . Считается, что темная материя доминирует над гравитационным потенциалом галактик и скоплений галактик. Согласно этой теории, галактики представляют собой барионную конденсацию звезд и газа (а именно водорода и гелия), которые лежат в центрах гораздо более крупных ореолов темной материи, подверженных гравитационной нестабильности, вызванной первичными флуктуациями плотности.

Многие космологи стремятся понять природу и историю этих вездесущих темных ореолов, исследуя свойства галактик, которые они содержат (т.е. их светимость, кинематику, размеры и морфологию). Измерение кинематики (их положения, скорости и ускорения) наблюдаемых звезд и газа стало инструментом для исследования природы темной материи, ее содержания и распределения относительно различных барионных компонентов этих галактик.

Дальнейшие исследования

Сравнение вращающихся дисковых галактик в современной (слева) и далекой Вселенной (справа).

Вращательная динамика галактик хорошо описывается их положением в соотношении Талли – Фишера , которое показывает, что для спиральных галактик скорость вращения однозначно связана с их полной светимостью. Последовательный способ предсказать скорость вращения спиральной галактики - это измерить ее болометрическую светимость и затем определить скорость вращения по ее местоположению на диаграмме Талли-Фишера. И наоборот, знание скорости вращения спиральной галактики дает ее светимость. Таким образом, величина вращения галактики связана с видимой массой галактики.

Хотя точная подгонка профилей плотности балджа, диска и гало является довольно сложным процессом, с помощью этого соотношения легко смоделировать наблюдаемые вращающиеся галактики. Таким образом, хотя современные космологические модели и моделирование формирования галактик темной материи с включенной нормальной барионной материей можно сопоставить с наблюдениями галактик, пока нет никакого прямого объяснения того, почему существует наблюдаемая зависимость масштабирования. Кроме того, подробные исследования кривых вращения галактик с низкой поверхностной яркостью ( галактик LSB) в 1990-х годах и их положения в соотношении Талли – Фишера показали, что галактики LSB должны иметь гало темной материи , более протяженные и менее плотные, чем у галактик с высокой поверхностной яркостью, и, таким образом, поверхностная яркость связана со свойствами гало. Такие темной материи , в которых доминируют карликовые галактики , может дать ключ к решению карликовой галактики проблемы в формировании структуры .

Очень важно, что анализ внутренних частей галактик с низкой и высокой поверхностной яркостью показал, что форма кривых вращения в центре систем с преобладанием темной материи указывает на профиль, отличный от профиля пространственного распределения массы NFW . Эта так называемая проблема каспи-гало - постоянная проблема для стандартной теории холодной темной материи. В этом контексте часто используются моделирование, включающее обратную связь звездной энергии в межзвездную среду, чтобы изменить предсказанное распределение темной материи в самых внутренних областях галактик.

Альтернативы темной материи

Было предпринято несколько попыток решить проблему вращения галактик, изменив гравитацию без использования темной материи. Одной из наиболее обсуждаемых является модифицированная ньютоновская динамика (MOND), первоначально предложенная Мордехаем Милгромом в 1983 году, которая изменяет закон Ньютона при малых ускорениях для усиления эффективного гравитационного притяжения. MOND добился значительных успехов в предсказании кривых вращения галактик с низкой поверхностной яркостью, соответствующих барионному соотношению Талли – Фишера и дисперсии скоростей малых галактик-спутников Местной группы .

Используя данные из базы данных Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC), группа обнаружила, что радиальное ускорение, отслеживаемое кривыми вращения, можно предсказать только по наблюдаемому распределению барионов (то есть, включая звезды и газ, но не темную материю). То же соотношение хорошо подходит для 2693 образцов в 153 вращающихся галактиках с различными формами, массами, размерами и долями газа. Яркость в ближнем инфракрасном диапазоне, где преобладает более стабильный свет от красных гигантов, использовалась для более согласованной оценки вклада плотности, обусловленного звездами. Результаты согласуются с MOND и ограничивают альтернативные объяснения, включающие только темную материю. Однако космологическое моделирование в рамках Lambda-CDM, которое включает в себя эффекты барионной обратной связи, воспроизводит то же отношение, без необходимости задействовать новую динамику (такую ​​как MOND). Таким образом, вклад самой темной материи можно полностью предсказать, исходя из вклада барионов, если принять во внимание эффекты обратной связи из-за диссипативного коллапса барионов. MOND не является релятивистской теорией, хотя были предложены релятивистские теории, которые сводятся к MOND, такие как тензорно-векторно-скалярная гравитация (TeVeS), скалярно-тензорно-векторная гравитация (STVG) и теория f (R) Капоцциелло и Де Лаурентис.

Также была предложена модель галактики, основанная на метрике общей теории относительности , которая показала, что кривые вращения для Млечного Пути , NGC 3031 , NGC 3198 и NGC 7331 согласуются с распределением плотности массы видимого вещества, избегая необходимости в массивном ореол экзотической темной материи.

Согласно анализу 2020 года данных, полученных с космического корабля Gaia , казалось бы возможным объяснить, по крайней мере, кривую вращения Млечного Пути, не требуя какой-либо темной материи, если вместо ньютоновского приближения будет принята вся система уравнений общей теории относительности. .

В марте 2021 года Герсон Отто Людвиг опубликовал модель, основанную на общей теории относительности, которая объясняет кривые вращения галактик с помощью гравитоэлектромагнетизма .

Смотрите также

Сноски

дальнейшее чтение

Библиография

  • В. Рубин, В .; Форд младший, WK (1970). «Вращение туманности Андромеды из спектроскопического обзора эмиссионных областей». Астрофизический журнал . 159 : 379. Bibcode : 1970ApJ ... 159..379R . DOI : 10.1086 / 150317 . Это было первое подробное исследование орбитального вращения галактик.
  • В. Рубин; Н. Тоннард; У. К. Форд-младший (1980). «Вращательные свойства 21 галактики Sc с большим диапазоном светимости и радиусов от NGC 4605 (R = 4 кпк) до UGC 2885 (R = 122 кпк)». Астрофизический журнал . 238 : 471. Bibcode : 1980ApJ ... 238..471R . DOI : 10,1086 / 158003 .Наблюдения за набором спиральных галактик показали, что орбитальные скорости звезд в галактиках неожиданно высоки на больших расстояниях от ядра. Эта статья оказала влияние на то, что убедила астрономов в том, что большая часть вещества во Вселенной темная, и большая ее часть сосредоточена вокруг галактик.
  • Галактическая астрономия , Дмитрий Михалас и Пол МакРэй . WH Freeman 1968.

внешние ссылки