Krzywa rotacji galaktyki - Galaxy rotation curve

Krzywa rotacji galaktyki spiralnej Messier 33 (żółte i niebieskie punkty z paskami błędów) oraz przewidywana z rozkładu materii widzialnej (szara linia). Rozbieżność między tymi dwiema krzywymi można wyjaśnić dodając halo ciemnej materii otaczające galaktykę.
Po lewej: symulowana galaktyka bez ciemnej materii. Po prawej: Galaktyka z płaską krzywą rotacji, której można by się spodziewać w przypadku ciemnej materii.

Krzywa obrót o galaktyce płyty (zwane także krzywa prędkości ) jest wykresem prędkości orbitalnych widocznych gwiazdek lub gazu w tym galaktyce porównaniu ich odległości promieniowej od środka tego galaktyki. Zazwyczaj jest przedstawiany graficznie jako wykres , a dane obserwowane z każdej strony galaktyki spiralnej są na ogół asymetryczne, więc dane z każdej strony są uśredniane w celu utworzenia krzywej. Istnieje znaczna rozbieżność między zaobserwowanymi krzywymi eksperymentalnymi a krzywą uzyskaną przez zastosowanie teorii grawitacji do materii obserwowanej w galaktyce. Teorie dotyczące ciemnej materii są głównymi postulowanymi rozwiązaniami wyjaśniającymi wariancję.

Prędkości obrotowe/orbitalne galaktyk/gwiazd nie są zgodne z zasadami występującymi w innych układach orbitalnych, takich jak gwiazdy/planety i planety/księżyce, których większość masy znajduje się w centrum. Gwiazdy krążą wokół centrum swojej galaktyki z równą lub rosnącą prędkością na dużym zakresie odległości. Natomiast prędkości orbitalne planet w układach planetarnych i księżyców krążących wokół planet maleją wraz z odległością zgodnie z trzecim prawem Keplera . Odzwierciedla to rozkłady masy w tych systemach. Szacunki masy galaktyk na podstawie emitowanego przez nie światła są zbyt niskie, aby wyjaśnić obserwacje prędkości.

Problemem rotacji galaktyk jest rozbieżność między obserwowanymi krzywymi rotacji galaktyk a przewidywaniem teoretycznym, zakładając centralnie zdominowaną masę związaną z obserwowaną materią świecącą. Gdy profile masowe galaktyk są obliczane na podstawie rozkładu gwiazd w spiralach i stosunku masy do światła w dyskach gwiazd, nie odpowiadają one masom wynikającym z obserwowanych krzywych rotacji i prawa grawitacji . Rozwiązaniem tej zagadki jest postawienie hipotezy o istnieniu ciemnej materii i założenie jej rozmieszczenia od centrum galaktyki do jej halo .

Chociaż ciemna materia jest zdecydowanie najbardziej akceptowanym wyjaśnieniem problemu rotacji, zaproponowano inne propozycje z różnym powodzeniem. Spośród możliwych alternatyw jedną z najbardziej godnych uwagi jest zmodyfikowana dynamika newtonowska (MOND), która polega na modyfikowaniu praw grawitacji.

Historia

W 1932 r. Jan Hendrik Oort jako pierwszy doniósł, że pomiary gwiazd w sąsiedztwie Słońca wskazywały, że poruszały się one szybciej niż oczekiwano, gdy przyjęto rozkład masy oparty na widzialnej materii, ale pomiary te zostały później uznane za zasadniczo błędne. W 1939 roku Horace Babcock przedstawił w swojej pracy doktorskiej pomiary krzywej rotacji dla Andromedy, które sugerowały, że stosunek masy do jasności wzrasta promieniowo. Przypisał to albo absorpcji światła w galaktyce, albo zmodyfikowanej dynamice zewnętrznych części spirali, a nie jakiejkolwiek postaci brakującej materii. Pomiary Babcocka okazały się zasadniczo nie zgadzać z tymi znalezionymi później, a pierwszy pomiar wydłużonej krzywej rotacji, dobrze zgodny ze współczesnymi danymi, został opublikowany w 1957 roku przez Henka van de Hulsta i współpracowników, którzy badali M31 za pomocą nowo uruchomionego 25-metrowego teleskopu Dwingeloo. . Artykuł towarzyszący autorstwa Maartena Schmidta wykazał, że ta krzywa rotacji może być dopasowana przez spłaszczony rozkład masy bardziej rozległy niż światło. W 1959 Louise Volders użyła tego samego teleskopu, aby zademonstrować, że galaktyka spiralna M33 również nie obraca się tak, jak oczekiwano zgodnie z dynamiką Keplera .

Raportowanie na NGC 3115 , Jan Oort napisał, że „rozkład masy w systemie pojawia się prawie nie do zniesienia stosunku do tego światła ... znajdujemy stosunek masy do światła w zewnętrznych częściach NGC 3115 na około 250” . Na stronie 302-303 artykułu w swoim czasopiśmie napisał, że „silnie skondensowany układ świetlny wydaje się osadzony w dużej i mniej lub bardziej jednorodnej masie o dużej gęstości” i chociaż dalej spekulował, że ta masa może być albo wyjątkowo słabym karłem. gwiazd lub międzygwiazdowego gazu i pyłu, wyraźnie wykrył halo ciemnej materii tej galaktyki.

Teleskop Carnegie (Carnegie Pokój astrograf) miało na celu zbadanie tego problemu obrotów Galaktycznej.

Pod koniec lat 60. i na początku lat 70. Vera Rubin , astronom z Departamentu Magnetyzmu Ziemskiego w Carnegie Institution w Waszyngtonie , pracowała z nowym czułym spektrografem, który mógł z większą dokładnością mierzyć krzywą prędkości galaktyk spiralnych znajdujących się na krawędzi. niż kiedykolwiek wcześniej. Wraz z kolegą z personelu Kentem Fordem , Rubin ogłosił na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w 1975 roku odkrycie, że większość gwiazd w galaktykach spiralnych krąży z mniej więcej taką samą prędkością, co sugeruje, że masy galaktyk rosną w przybliżeniu liniowo z promieniem znacznie przekraczającym położenie większości gwiazd ( wybrzuszenie galaktyczne ). Rubin przedstawiła swoje wyniki we wpływowej pracy w 1980 roku. Wyniki te sugerowały, że grawitacja newtonowska nie ma uniwersalnego zastosowania lub, zgodnie z zasadami ostrożnymi, ponad 50% masy galaktyk znajduje się w stosunkowo ciemnym galaktycznym halo. Choć początkowo spotkał się ze sceptycyzmem, wyniki Rubina zostały potwierdzone w kolejnych dekadach.

Jeśli założymy, że mechanika Newtona jest poprawna, wynikałoby z tego, że większość masy galaktyki musiała znajdować się w zgrubieniu galaktycznym w pobliżu centrum, a gwiazdy i gaz w części dysku powinny krążyć wokół centrum ze zmniejszającymi się prędkościami wraz z odległością promieniową od centrum galaktyki (linia przerywana na ryc. 1).

Nie potwierdzają tego jednak obserwacje krzywej rotacji spiral. Krzywe nie zmniejszają się raczej zgodnie z oczekiwaną odwrotną zależnością pierwiastka kwadratowego, ale są „płaskie”, tj. poza wybrzuszeniem centralnym prędkość jest prawie stała (linia ciągła na rys. 1). Zaobserwowano również, że galaktyki o równomiernym rozkładzie świecącej materii mają krzywą rotacji, która wznosi się od środka do krawędzi, a większość galaktyk o niskiej jasności powierzchni (galaktyki LSB) ma tę samą anomalną krzywą rotacji.

Krzywe rotacji można wytłumaczyć hipotezą o istnieniu znacznej ilości materii przenikającej galaktykę poza centralnym zgrubieniem, która nie emituje światła w stosunku masy do światła centralnego zgrubienia. Materiał odpowiedzialny za dodatkową masę nazwano ciemną materią , której istnienie po raz pierwszy stwierdził w latach 30. XX wieku Jan Oort w swoich pomiarach stałych Oorta i Fritz Zwicky w badaniach mas gromad galaktyk . Istnienie non-barionowej zimnej ciemnej (CDM) jest dziś ważnym elementem modelu Lambda-CDM , która opisuje kosmologię o wszechświecie .

Profile gęstości halo

Aby pomieścić płaską krzywą rotacji, profil gęstości galaktyki i jej otoczenia musi być inny niż ten, który jest skoncentrowany centralnie. Z wersji trzeciego prawa Keplera Newtona wynika, że ​​sferycznie symetryczny profil gęstości radialnej ρ ( r ) wynosi:

gdzie v ( r ) jest profilem promieniowej prędkości orbitalnej, a G jest stałą grawitacyjną . Ten profil ściśle odpowiada oczekiwaniom pojedynczego izotermicznego profilu sfery, gdzie jeśli v ( r ) jest w przybliżeniu stała, to gęstość ρ ∝ r -2 do pewnego wewnętrznego "promienia rdzenia", gdzie gęstość jest następnie przyjmowana jako stała. Obserwacje nie pasują do tak prostego profilu, jak donoszą Navarro, Frenk i White w przełomowym artykule z 1996 roku.

Autorzy zauważyli następnie, że „łagodnie zmieniające się nachylenie logarytmiczne” dla funkcji profilu gęstości może również pomieścić w przybliżeniu płaskie krzywe rotacji w dużej skali. Znaleźli słynny profil Navarro-Frenk-White , który jest zgodny zarówno z symulacjami N-ciał, jak i obserwacjami przedstawionymi przez

gdzie gęstość centralna, ρ 0 , i promień skali, R s , są parametrami, które zmieniają się od halo do halo. Ponieważ nachylenie profilu gęstości różni się w centrum, zaproponowano inne alternatywne profile, na przykład profil Einasto , który wykazał lepszą zgodność z niektórymi symulacjami halo ciemnej materii.

Obserwacje prędkości orbitalnych w galaktykach spiralnych sugerują strukturę masy zgodnie z:

z Φ potencjałem grawitacyjnym galaktyki .

Ponieważ obserwacje rotacji galaktyk nie zgadzają się z rozkładem oczekiwanym z zastosowania praw Keplera, nie odpowiadają rozkładowi materii świecącej. Oznacza to, że galaktyki spiralne zawierają duże ilości ciemnej materii lub, alternatywnie, istnienie egzotycznej fizyki działającej w skali galaktycznej. Dodatkowy niewidzialny składnik staje się coraz bardziej widoczny w każdej galaktyce w promieniach zewnętrznych oraz wśród galaktyk w mniej jasnych.

Popularną interpretacją tych obserwacji jest to, że około 26% masy Wszechświata składa się z ciemnej materii, hipotetycznego typu materii, która nie emituje ani nie oddziałuje z promieniowaniem elektromagnetycznym . Uważa się, że ciemna materia dominuje w grawitacyjnym potencjale galaktyk i gromad galaktyk. Zgodnie z tą teorią galaktyki są barionowymi kondensacjami gwiazd i gazu (mianowicie wodoru i helu), które leżą w centrach znacznie większych halo ciemnej materii, dotkniętych niestabilnością grawitacyjną spowodowaną pierwotnymi fluktuacjami gęstości.

Wielu kosmologów stara się zrozumieć naturę i historię tych wszechobecnych ciemnych halo poprzez badanie właściwości zawartych w nich galaktyk (tj. ich jasności, kinematyki, rozmiarów i morfologii). Pomiary kinematyki (ich pozycji, prędkości i przyspieszeń) obserwowalnych gwiazd i gazu stały się narzędziem do badania natury ciemnej materii, jej zawartości i rozmieszczenia w stosunku do różnych składników barionowych tych galaktyk.

Dalsze dochodzenia

Porównanie wirujących galaktyk dyskowych we współczesnym (po lewej) i odległym Wszechświecie (po prawej).

Dynamikę rotacyjną galaktyk dobrze scharakteryzowano dzięki ich pozycji w relacji Tully-Fisher , która pokazuje, że w przypadku galaktyk spiralnych prędkość obrotowa jest jednoznacznie związana z ich całkowitą jasnością. Spójnym sposobem przewidywania prędkości obrotowej galaktyki spiralnej jest zmierzenie jej jasności bolometrycznej, a następnie odczytanie jej szybkości rotacji z jej położenia na diagramie Tully-Fisher. I odwrotnie, znajomość prędkości obrotowej galaktyki spiralnej daje jej jasność. Zatem wielkość rotacji galaktyki jest powiązana z widoczną masą galaktyki.

Chociaż precyzyjne dopasowanie profili gęstości zgrubienia, dysku i gęstości halo jest dość skomplikowanym procesem, modelowanie obserwowalnych galaktyk wirujących za pomocą tej zależności jest proste. Tak więc, chociaż najnowocześniejsze symulacje kosmologiczne i formowania galaktyk ciemnej materii z uwzględnioną normalną materią barionową można porównać z obserwacjami galaktyk, nie ma jeszcze żadnego prostego wyjaśnienia, dlaczego istnieje obserwowana zależność skalowania. Dodatkowo szczegółowe badania krzywych rotacji galaktyk o niskiej jasności powierzchniowej ( galaktyki LSB) w latach 90. i ich pozycji w relacji Tully-Fisher wykazały, że galaktyki LSB musiały mieć halo ciemnej materii, które są bardziej rozciągnięte i mniej gęste niż te z galaktyk o wysokiej jasności powierzchniowej, a zatem jasność powierzchniowa jest powiązana z właściwościami halo. Takie ciemna materia zdominowana karłowate galaktyki może być kluczem do rozwiązania karłowata galaktyka problemu z tworzeniem struktury .

Co bardzo ważne, analiza wewnętrznych części galaktyk o niskiej i wysokiej jasności powierzchniowej wykazała, że ​​kształt krzywych rotacji w centrum układów zdominowanych przez ciemną materię wskazuje na profil odmienny od profilu przestrzennego rozkładu masy NFW . Ten tak zwany problem delikatnego halo jest stałym problemem dla standardowej teorii zimnej ciemnej materii. W tym kontekście często przywoływane są symulacje obejmujące sprzężenie zwrotne energii gwiazdowej do ośrodka międzygwiazdowego w celu zmiany przewidywanego rozkładu ciemnej materii w najbardziej wewnętrznych obszarach galaktyk.

Alternatywy dla ciemnej materii

Podjęto szereg prób rozwiązania problemu rotacji galaktyk poprzez modyfikację grawitacji bez przywoływania ciemnej materii. Jednym z najczęściej omawianych jest Modified Newtonian Dynamics (MOND), pierwotnie zaproponowany przez Mordehai Milgroma w 1983 roku, który modyfikuje prawo siły Newtona przy niskich przyspieszeniach w celu zwiększenia efektywnego przyciągania grawitacyjnego. MOND odniósł znaczne sukcesy w przewidywaniu krzywych rotacji galaktyk o niskiej jasności powierzchniowej, zgodnych z barionową relacją Tully-Fisher oraz dyspersją prędkości małych galaktyk satelitarnych Grupy Lokalnej .

Korzystając z danych z bazy danych Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC), grupa odkryła, że ​​przyspieszenie radialne śledzone przez krzywe rotacji można przewidzieć tylko na podstawie obserwowanego rozkładu barionów (tj. obejmuje gwiazdy i gaz, ale nie ciemną materię). Ta sama zależność zapewniła dobre dopasowanie dla 2693 próbek w 153 wirujących galaktykach o różnych kształtach, masach, rozmiarach i ułamkach gazu. Jasność w bliskiej podczerwieni, gdzie dominuje bardziej stabilne światło czerwonych olbrzymów, została wykorzystana do bardziej spójnego oszacowania udziału gwiazd w gęstości. Wyniki są zgodne z MOND i nakładają ograniczenia na alternatywne wyjaśnienia dotyczące samej ciemnej materii. Jednak symulacje kosmologiczne w ramach Lambda-CDM, które obejmują efekty barionowego sprzężenia zwrotnego, odtwarzają tę samą relację, bez konieczności przywoływania nowej dynamiki (takiej jak MOND). Tak więc wkład samej ciemnej materii może być w pełni przewidywalny na podstawie wkładu barionów, po uwzględnieniu efektów sprzężenia zwrotnego związanego z dyssypatywnym kolapsem barionów. MOND nie jest teorią relatywistyczną, chociaż zaproponowano teorie relatywistyczne, które sprowadzają się do MOND, takie jak grawitacja tensorowo-wektorowo-skalarna (TeVeS), grawitacja skalarna-tensor-wektorowa (STVG) oraz teoria f(R) Capozziello i De Laurentisa.

Zaproponowano również model galaktyki oparty na ogólnej metryce względności , wykazując, że krzywe rotacji Drogi Mlecznej , NGC 3031 , NGC 3198 i NGC 7331 są zgodne z rozkładami gęstości masy widzialnej materii, unikając potrzeby masywnego halo egzotycznej ciemnej materii.

Zgodnie z analizą danych wyprodukowanych przez sondę Gaia z 2020 r., wydaje się możliwe wyjaśnienie przynajmniej krzywej rotacji Drogi Mlecznej bez konieczności stosowania jakiejkolwiek ciemnej materii, jeśli zamiast aproksymacji Newtona zostanie przyjęty cały zestaw równań ogólnej teorii względności. .

W marcu 2021 r. Gerson Otto Ludwig opublikował model oparty na ogólnej teorii względności, który wyjaśnia krzywe rotacji galaktyk za pomocą grawitoelektromagnetyzmu .

Zobacz też

Przypisy

Dalsza lektura

Bibliografia

  • V. Rubin, V.; Ford Jr., WK (1970). „Obrót Mgławicy Andromedy z badania spektroskopowego regionów emisji”. Czasopismo Astrofizyczne . 159 : 379. Kod bib : 1970ApJ...159..379R . doi : 10.1086/150317 . Było to pierwsze szczegółowe badanie rotacji orbit w galaktykach.
  • V. Rubin; N. Thonnarda; WK Ford Jr (1980). „Właściwości rotacyjne galaktyk 21 Sc o dużym zakresie jasności i promieni od NGC 4605 (R = 4 kpc) do UGC 2885 (R = 122 kpc)”. Czasopismo Astrofizyczne . 238 : 471. Kod bib : 1980ApJ...238..471R . doi : 10.1086/158003 .Obserwacje zestawu galaktyk spiralnych dostarczyły dowodów na to, że prędkości orbitalne gwiazd w galaktykach były nieoczekiwanie wysokie w dużych odległościach od jądra. Artykuł ten miał wpływ na przekonanie astronomów, że większość materii we wszechświecie jest ciemna, a znaczna jej część skupia się wokół galaktyk.
  • Astronomia Galaktyczna , Dmitri Mihalas i Paul McRae . WH Freemana 1968.

Zewnętrzne linki