Kosmologie - Spiralgalaxien-Rotationskurven

In diesem Kapitel werden wir uns mit Rotationskurven von Spiralgalaxien und Beweisen für Dunkle Materie befassen.

Dunkle Materie und Beobachtungsfaktor über Dunkle Materie

Der frühe Beweis der Dunklen Materie war der study of the Kinematics of Spiral Galaxy.
Die Sonne ist 30.000 Lichtjahre vom Zentrum unserer Galaxie entfernt. Die galaktische Zentriergeschwindigkeit beträgt 220 km / s.
Warum ist die Geschwindigkeit 220 km / s nicht 100 km / s oder 500 km / s? Was regelt die Kreisbewegung des Objekts?
Die im Radius eingeschlossene Masse hilft, die Geschwindigkeit im Universum zu erfassen.

Rotation der Milchstraße oder der Spiralgalaxie - Differenzielle Rotation

Angular Velocity variiert mit dem Abstand vom Zentrum.
Die Umlaufzeit hängt von der Entfernung vom Zentrum ab.
Material, das näher am galaktischen Zentrum liegt, hat einen kürzeren Zeitraum und Material, das weit vom galaktischen Zentrum entfernt ist, hat einen größeren Zeitraum.

Rotationskurve

Sagen Sie die Geschwindigkeitsänderung mit dem voraus Galactic centric radius. Die Kurve, die die Geschwindigkeit angibt, ändert sich mit dem Umlaufradius.
Wenn wir sehen, wie sich Dinge bewegen, denken wir, dass es die Schwerkraft ist, die die Rotation beeinflusst.
Die Massenverteilung variiert mit dem Radius. Die Materiedichte sagt die Rotationskurve voraus. Die Rotationskurve basiert auf der Materiedichte, die mit dem Radius variiert.

Oberflächenhelligkeit

Wir wählen den Patch und sehen, wie viel Licht herauskommt.
Die Menge des vom Patch kommenden Lichts wird als Oberflächenhelligkeit bezeichnet.
Seine Einheit ist mag/arcsec².
Wenn wir feststellen, dass die Oberflächenhelligkeit mit dem Radius variiert, können wir feststellen, dass die Leuchtmasse mit dem Radius variiert.

$$ \ mu (r) \ propto exp \ left (\ frac {-r} {h_R} \ right) $$

$ h_R $ ist die Skalenlänge. $ \ mu (r) = \ mu_o \ ast exp \ left (\ frac {-r} {h_R} \ right) $
$ h_R $ ist fast 3 kpc für die Milchstraße.

Spiralgalaxien

Damit die Astronomen die Rotationskurve verstehen können, teilen sie die Galaxien in zwei Komponenten auf:

Disk
Bulge

Das folgende Bild zeigt eine zentrale Kugelwölbung + Kreisscheibe. Die Stern- und Gasverteilung ist in der Ausbuchtung und der Scheibe unterschiedlich.

Kinematik von Spiralgalaxien

Die Kreisgeschwindigkeit eines beliebigen Objekts - Für die Ausbuchtung ist (r <Rb).

$$ V ^ 2 (r) = G \ ast \ frac {M (r)} {r} $$

$$ M (r) = \ frac {4 \ pi r ^ 3} {3} \ ast \ rho_b $$
Für die Platte - (Rb <r <Rd)

$$ V ^ 2 (r) = G \ ast \ frac {M (r)} {r} $$
Die Ausbuchtung hat eine ungefähr konstante Dichte an Sternen.
Die Dichte innerhalb der Ausbuchtung ist konstant (ändert sich nicht mit dem Abstand innerhalb der Ausbuchtung).
In einer Scheibe nimmt die Sternendichte mit dem Radius ab. Der Radius nimmt zu, dann nimmt die Leuchtmasse ab.
In loser Schüttung - $ V (r) \ propto r $
In Disc - $ V (r) \ propto 1 / \ sqrt {r} $

Rotationskurve von Spiralgalaxien

Durch das Spectroscopy (nahe Galaxien - räumlich aufgelöste Galaxie), erzeugen wir die Rotationskurve.
Wie oben erwähnt, sehen wir, dass die Rotationskurve in den äußeren Bereichen flach ist, dh die Dinge bewegen sich in den äußeren Bereichen schnell, was im Allgemeinen nicht in dieser Form erwartet wird.
Die Umlaufgeschwindigkeit nimmt mit zunehmendem Radius des inneren Bereichs zu, flacht jedoch im äußeren Bereich ab.

Dunkle Materie

Die Dunkle Materie soll die nicht leuchtende Komponente des Universums sein. Lassen Sie uns die Dunkle Materie anhand der folgenden Hinweise verstehen.

Die flachen Rotationskurven stehen im Widerspruch zu dem, was wir für die Verteilung von Sternen und Gas in den Spiralgalaxien sehen.
Die Oberflächenhelligkeit der Scheibe nimmt mit dem Radius exponentiell ab, was bedeutet, dass sich die Masse der Leuchtmasse, hauptsächlich Sterne, um das galaktische Zentrum konzentriert.
Die Abflachung der Rotationskurve legt nahe, dass sich die Gesamtmasse der Galaxie innerhalb eines Radius befindet r nimmt immer mit der Zunahme zu r.
Dies kann nur erklärt werden, wenn sich in diesen Galaxien eine große Menge unsichtbarer Gravitationsmasse befindet, die keine elektromagnetische Strahlung abgibt.
Die Rotationskurvenmessungen von Spiralgalaxien sind einer der überzeugendsten Beweise für dunkle Materie.

Beweise der Dunklen Materie

Fehlende Masse - 10-fache Leuchtmasse.
Der größte Teil dieser dunklen Materie muss sich im Lichthof der Galaxie befinden: Große Mengen dunkler Materie in der Scheibe können die Langzeitstabilität der Scheibe gegen Gezeitenkräfte stören.
Ein kleiner Teil der dunklen Materie in der Scheibe kann baryonisch-dunkle Sterne (braune Zwerge, schwarze Zwerge) und kompakte Sternreste (Neutronensterne, schwarze Löcher) sein. Eine solche baryonische dunkle Materie kann jedoch nicht das volle Ausmaß der fehlenden Masse in Galaxien erklären.
Dichteprofil der Dunklen Materie - $ M (r) \ propto r $ und $ \ rho (r) \ propto r ^ {- 2} $.
Die Rotationskurvendaten für Spiralgalaxien stimmen mit der in ihrem Lichthof verteilten dunklen Materie überein.
Dieser dunkle Heiligenschein macht einen Großteil der Gesamtmasse der Galaxie aus.
Alle baryonischen Materien (Sterne, Sternhaufen, ISM usw.) werden durch das Gravitationspotential dieses Halos der dunklen Materie zusammengehalten.

Fazit

Dunkle Materie wurde nur durch ihre Gravitationswechselwirkung mit einer gewöhnlichen Materie nachgewiesen. Es wurde noch keine Wechselwirkung mit Licht (keine elektromagnetische Kraft) beobachtet.
Neutrinos- Laden Sie weniger auf, interagieren Sie schwach, aber die Masse ist zu gering (<0,23 eV). DM-Partikel sollten etwa E> 10 eV haben, um die Strukturbildung zu erklären.
Schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPS) können die Quelle der Dunklen Materie sein.

Punkte, die man sich merken sollte

Material, das näher am galaktischen Zentrum liegt, hat einen kürzeren Zeitraum.
Die Ausbuchtung hat eine ungefähr konstante Dichte an Sternen.
Die Oberflächenhelligkeit der Scheibe nimmt mit dem Radius exponentiell ab.
Große Mengen dunkler Materie in der Scheibe können die Langzeitstabilität der Scheibe gegen Gezeitenkräfte stören.