Kosmologi - Kurva Rotasi Galaksi Spiral

Pada bab ini, kita akan membahas tentang Kurva Rotasi Galaksi Spiral dan bukti Materi Gelap.

Bukti Awal Materi Gelap adalah study of the Kinematics of Spiral Galaxy.
Matahari berjarak 30.000 tahun cahaya dari pusat galaksi kita. Kecepatan sentris galaksi adalah 220 km / s.
Mengapa kecepatan 220 km / s bukan 100 km / s atau 500 km / s? Apa yang mengatur gerak melingkar benda?
Massa yang tertutup dalam radius membantu mendeteksi kecepatan di alam semesta.

Angular Velocity bervariasi dengan jarak dari pusat.
Jangka waktu orbit bergantung pada jarak dari pusat.
Materi yang lebih dekat dengan pusat galaksi memiliki jangka waktu yang lebih pendek dan materi yang jauh dari pusat galaksi memiliki jangka waktu yang lebih besar.

Memprediksi perubahan kecepatan dengan Galactic centric radius. Kurva yang memberikan kecepatan berubah dengan jari-jari orbit.
Ketika kita melihat sesuatu bergerak, kita mengira bahwa gravitasilah yang mempengaruhi rotasi.
Distribusi massa bervariasi dengan jari-jari. Kepadatan materi akan memprediksi kurva rotasi. Kurva rotasi didasarkan pada kerapatan materi, yang bervariasi dengan jari-jari.

Kami memilih tambalan dan melihat berapa banyak cahaya yang keluar.
Jumlah cahaya yang berasal dari tambalan disebut sebagai Kecerahan Permukaan.
Satuannya adalah mag/arcsec².
Jika kita menemukan kecerahan permukaan bervariasi dengan radius, kita dapat menemukan materi bercahaya bervariasi dengan radius.

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

$ h_R $ adalah panjang skala. $ \ mu (r) = \ mu_o \ ast exp \ left (\ frac {-r} {h_R} \ kanan) $
$ h_R $ hampir 3 kpc untuk Bima Sakti.

Galaksi Spiral

Agar para astronom dapat memahami kurva rotasi, mereka membagi galaksi menjadi dua komponen, yaitu -

Gambar berikut menunjukkan tonjolan bola pusat + Disk lingkaran. Distribusi bintang dan gas berbeda pada tonjolan dan cakram.

Kecepatan melingkar benda apa pun - Untuk tonjolan adalah (r <Rb).

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

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

$$ V ^ 2 (r) = G \ ast \ frac {M (r)} {r} $$
Bulge memiliki kepadatan bintang yang kira-kira konstan.
Kepadatan di dalam Bulge adalah konstan (tidak berubah dengan jarak di dalam tonjolan).
Dalam sebuah cakram, kerapatan bintang menurun seiring dengan jari-jari. Jari-jari bertambah kemudian materi bercahaya berkurang.
Dalam Massal - $ V (r) \ propto r $
Dalam Disk - $ V (r) \ propto 1 / \ sqrt {r} $

Melalui Spectroscopy (galaksi terdekat - galaksi spasial diselesaikan), kami menghasilkan kurva rotasi.
Seperti disebutkan di atas, kita melihat bahwa kurva rotasi datar di daerah terluar, yaitu benda-benda bergerak cepat di daerah terluar, yang umumnya tidak diharapkan dalam bentuk ini.
Kecepatan orbit meningkat dengan bertambahnya jari-jari wilayah dalam, tetapi mendatar di wilayah terluar.

Materi Gelap dikatakan sebagai Komponen Alam Semesta yang Tidak Bercahaya. Mari kita pahami tentang materi gelap melalui petunjuk berikut.

Kurva rotasi datar berlawanan dengan apa yang kita lihat untuk distribusi bintang dan gas di galaksi spiral.
Luminositas permukaan piringan jatuh secara eksponensial dengan jari-jari, menyiratkan bahwa massa materi bercahaya, kebanyakan bintang, terkonsentrasi di sekitar pusat galaksi.
Perataan kurva rotasi menunjukkan bahwa massa total galaksi dalam radius tertentu r selalu meningkat dengan peningkatan r.
Ini hanya dapat dijelaskan jika ada sejumlah besar massa gravitasi tak terlihat di galaksi ini yang tidak memancarkan radiasi elektromagnetik.
Pengukuran kurva rotasi galaksi spiral adalah salah satu bukti paling meyakinkan untuk materi gelap.

Massa yang Hilang - 10 kali massa bercahaya.
Sebagian besar materi gelap ini pasti berada di lingkaran cahaya galaksi: Materi gelap dalam jumlah besar di cakram dapat mengganggu stabilitas jangka panjang cakram terhadap gaya pasang surut.
Beberapa bagian kecil dari materi gelap di cakram dapat berupa bintang baryonic - redup (katai coklat, katai hitam), dan sisa-sisa bintang kompak (bintang neutron, lubang hitam). Tapi materi gelap baryonic tidak dapat menjelaskan skala penuh dari massa yang hilang di galaksi.
Profil Densitas Materi Gelap - $ M (r) \ propto r $ dan $ \ rho (r) \ propto r ^ {- 2} $.
Data kurva rotasi untuk galaksi spiral konsisten dengan materi gelap yang terdistribusi dalam halo.
Halo gelap ini merupakan sebagian besar dari total massa galaksi.
Semua materi baryonic (bintang, gugus bintang, ISM, dll.) Disatukan oleh potensial gravitasi halo materi gelap ini.

Materi gelap hanya dapat dideteksi melalui interaksi gravitasinya dengan materi biasa. Belum ada interaksi dengan cahaya (tidak ada gaya elektromagnetik) yang diamati.
Neutrinos- Isi daya lebih sedikit, interaksi lemah, tetapi massa terlalu sedikit (<0,23 eV). Partikel DM harus memiliki E> 10 eV atau lebih untuk menjelaskan pembentukan struktur.
Weakly Interacting Massive Particles (WIMPS) dapat menjadi sumber Dark Matter.

Materi yang lebih dekat ke pusat galaksi memiliki periode waktu yang lebih singkat.
Bulge memiliki kepadatan bintang yang kira-kira konstan.
Luminositas permukaan disk turun secara eksponensial dengan radius.
Materi gelap dalam jumlah besar dalam disk dapat mengganggu stabilitas jangka panjang disk terhadap gaya pasang surut.