宇宙論-渦巻銀河の回転曲線

この章では、スパイラル銀河の回転曲線と暗黒物質の証拠について説明します。

暗黒物質と暗黒物質に関する観察事実

• 暗黒物質の初期の証拠は study of the Kinematics of Spiral Galaxy。

• 太陽は私たちの銀河の中心から30,000光年オフセットされています。銀河中心速度は220km / sです。

• 速度220km / sが100km / sまたは500km / sではないのはなぜですか？オブジェクトの円運動を支配するものは何ですか？

• 半径内に囲まれた質量は、宇宙の速度を検出するのに役立ちます。

天の川または渦巻銀河の回転–差動回転

• Angular Velocity 中心からの距離によって異なります。

• 軌道の期間は、中心からの距離によって異なります。

• 銀河中心に近い材料は期間が短く、銀河中心から遠い材料は期間が長くなります。

回転曲線

• で速度変化を予測します Galactic centric radius。速度を与える曲線は、軌道半径によって変化します。

• 物が動くのを見ると、回転に影響を与えるのは重力だと思います。

• 質量分布は半径によって異なります。物質密度は回転曲線を予測します。半径によって変化する物質密度に基づく回転曲線。

表面の明るさ

• パッチを選択して、どれだけの光が出ているかを確認します。

• パッチから来る光の量は、表面輝度と呼ばれます。

• その単位は mag/arcsec²。

• 表面の明るさが半径によって変化することがわかった場合、発光物質は半径によって変化することがわかります。

  $$ \ mu（r）\ p​​ropto exp \ left（\ frac {-r} {h_R} \ right）$$

  $ h_R $はスケールの長さです。$ \ mu（r）= \ mu_o \ ast exp \ left（\ frac {-r} {h_R} \ right）$

• $ h_R $は、天の川のほぼ3kpcです。

渦巻銀河

天文学者が回転曲線を理解するために、彼らは銀河を2つの成分に分割します。

• Disk
• Bulge

次の画像は、中央の球形の膨らみ+円形の円盤を示しています。恒星とガスの分布は、バルジとディスクで異なります。

渦巻銀河の運動学

• 任意のオブジェクトの円速度–バルジの場合は（r <Rb）です。

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

  $$ M（r）= \ frac {4 \ pi r ^ 3} {3} \ ast \ rho_b $$

• ディスクの場合–（Rb <r <Rd）

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

• バルジの星の密度はほぼ一定です。

• バルジ内の密度は一定です（バルジ内の距離によって変化しません）。

• ディスクでは、恒星の密度は半径とともに減少します。半径が大きくなり、発光物質が減少します。

• 一括– $ V（r）\ p​​ropto r $

• ディスク内– $ V（r）\ p​​ropto 1 / \ sqrt {r} $

渦巻銀河の回転曲線

• を通って Spectroscopy （近くの銀河–空間的に分解された銀河）、回転曲線を作成します。

• 上で述べたように、回転曲線は外側の領域で平坦であることがわかります。つまり、外側の領域では物事が速く動いています。これは通常、この形式ではないと予想されます。

• 軌道速度は、内側の領域の半径が大きくなるにつれて増加しますが、外側の領域では平坦になります。

ダークマター

暗黒物質は宇宙の非発光成分であると言われています。以下の指針を通して暗黒物質について理解しましょう。

• 平らな回転曲線は、渦巻銀河における星とガスの分布について私たちが見ているものとは逆です。

• ディスクの表面光度は半径とともに指数関数的に低下します。これは、発光物質、主に星の質量が銀河中心の周りに集中していることを意味します。

• 回転曲線の平坦化は、ある半径内の銀河の総質量が r の増加とともに常に増加しています r。

• これは、電磁放射を放出していないこれらの銀河に大量の目に見えない重力質量がある場合にのみ説明できます。

• 渦巻銀河の回転曲線の測定は、暗黒物質の最も説得力のある一連の証拠の1つです。

暗黒物質の証拠

• 欠落質量–発光質量の10倍。

• この暗黒物質のほとんどは銀河のハローにあるに違いありません。ディスク内の大量の暗黒物質は、潮汐力に対するディスクの長期的な安定性を妨げる可能性があります。

• ディスク内の暗黒物質のごく一部はバリオンである可能性があります–薄暗い星（褐色矮星、黒色矮星）、およびコンパクト星の残骸（中性子星、ブラックホール）。しかし、そのようなバリオン暗黒物質は、銀河の失われた質量のフルスケールを説明することはできません。

• 暗黒物質の密度プロファイル– $ M（r）\ p​​ropto r $および$ \ rho（r）\ p​​ropto r ^ {− 2} $。

• 渦巻銀河の回転曲線データは、それらのハローに分布する暗黒物質と一致しています。

• このダークハローは、銀河の総質量の大部分を占めています。

• すべてのバリオン物質（星、星団、ISMなど）は、この暗黒物質ハローの重力ポテンシャルによってまとめられています。

結論

• 暗黒物質は、通常の物質との重力相互作用によってのみ検出されています。光との相互作用（電磁力なし）はまだ観察されていません。

• Neutrinos−電荷が少なく、相互作用が弱いが、質量が少なすぎる（<0.23eV）。DM粒子は、構造形成を説明するためにE> 10eV程度である必要があります。

• 弱く相互作用する巨大粒子（WIMPS）は、暗黒物質の原因となる可能性があります。

覚えておくべきポイント

• 銀河中心に近い物質は、より短い期間を持ちます。

• バルジの星の密度はほぼ一定です。

• ディスクの表面輝度は、半径とともに指数関数的に低下します。

• ディスク内の大量の暗黒物質は、潮汐力に対するディスクの長期安定性を妨げる可能性があります。