Kosmologia - Krzywe rotacji galaktyk spiralnych

W tym rozdziale omówimy krzywe rotacji galaktyk spiralnych i dowody na istnienie ciemnej materii.

Wczesnym dowodem na istnienie ciemnej materii był plik study of the Kinematics of Spiral Galaxy.
Słońce jest przesunięte o 30 000 lat świetlnych od centrum naszej Galaktyki. Galaktyczna prędkość centryczna wynosi 220 km / s.
Dlaczego prędkość 220 km / s to nie 100 km / s lub 500 km / s? Co rządzi ruchem kołowym obiektu?
Masa zamknięta w promieniu pomaga wykryć prędkość we Wszechświecie.

Angular Velocity zmienia się w zależności od odległości od centrum.
Okres orbity zależy od odległości od centrum.
Materiał bliżej centrum Galaktyki ma krótszy okres czasu, a materiał z dala od centrum Galaktyki ma dłuższy okres.

Przewidzieć zmianę prędkości za pomocą Galactic centric radius. Krzywa, która podaje prędkość zmienia się wraz z promieniem orbity.
Kiedy widzimy, jak rzeczy się poruszają, myślimy, że to grawitacja wpływa na rotację.
Rozkład masy zmienia się wraz z promieniem. Gęstość materii pozwoli przewidzieć krzywą rotacji. Krzywa rotacji oparta na gęstości materii, która zmienia się wraz z promieniem.

Wybieramy łatkę i sprawdzamy, ile wydobywa się światło.
Ilość światła pochodzącego z łaty nazywana jest jasnością powierzchni.
Jego jednostką jest mag/arcsec².
Jeśli stwierdzimy, że jasność powierzchni zmienia się wraz z promieniem, możemy stwierdzić, że świecąca materia zmienia się wraz z promieniem.

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

$ h_R $ to długość skali. $ \ mu (r) = \ mu_o \ ast exp \ left (\ frac {-r} {h_R} \ right) $
$ h_R $ to prawie 3 kpc dla Drogi Mlecznej.

Galaktyki spiralne

Aby astronomowie mogli zrozumieć krzywą rotacji, podzielili galaktyki na dwa składniki, którymi są:

Poniższa ilustracja przedstawia centralne kuliste wybrzuszenie + okrągły krążek. Rozkład gwiazd i gazów jest inny w wybrzuszeniu i dysku.

Prędkość kołowa dowolnego obiektu - dla wybrzuszenia wynosi (r <Rb).

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

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

$$ V ^ 2 (r) = G \ ast \ frac {M (r)} {r} $$
Wybrzuszenie ma mniej więcej stałą gęstość gwiazd.
Gęstość wewnątrz wybrzuszenia jest stała (nie zmienia się wraz z odległością wewnątrz wybrzuszenia).
W dysku gęstość gwiazd maleje wraz z promieniem. Promień wzrasta, a następnie świecąca materia maleje.
Zbiorczo - $ V (r) \ propto r $
Na dysku - $ V (r) \ propto 1 / \ sqrt {r} $

Przez Spectroscopy (pobliskie galaktyki - galaktyka rozdzielona przestrzennie), tworzymy krzywą rotacji.
Jak wspomniano powyżej, widzimy, że krzywa obrotu jest płaska w obszarach zewnętrznych, tj. Rzeczy poruszają się szybko w obszarach zewnętrznych, co generalnie nie powinno mieć takiej postaci.
Prędkość orbitalna rośnie wraz ze wzrostem promienia obszaru wewnętrznego, ale spłaszcza się w obszarze zewnętrznym.

Mówi się, że ciemna materia jest nieświecącym składnikiem wszechświata. Rozumiemy kwestię ciemnej materii dzięki następującym wskazówkom.

Płaskie krzywe rotacji są sprzeczne z tym, co widzimy dla rozkładu gwiazd i gazu w galaktykach spiralnych.
Jasność powierzchni dysku spada wykładniczo wraz z promieniem, co oznacza, że masa świetlistej materii, głównie gwiazd, jest skoncentrowana wokół centrum galaktyki.
Spłaszczenie krzywej rotacji sugeruje, że całkowita masa galaktyki znajduje się w pewnym promieniu r rośnie zawsze wraz ze wzrostem r.
Można to wyjaśnić tylko wtedy, gdy w tych galaktykach występuje duża ilość niewidocznej masy grawitacyjnej, która nie emituje promieniowania elektromagnetycznego.
Pomiary krzywej rotacji galaktyk spiralnych to jeden z najbardziej przekonujących zestawów dowodów na istnienie ciemnej materii.

Missing Mass - 10 razy większa od masy świetlnej.
Większość tej ciemnej materii musi znajdować się w halo galaktyki: duże ilości ciemnej materii w dysku mogą zakłócać długoterminową stabilność dysku wobec sił pływowych.
Niewielki ułamek ciemnej materii w dysku może być barionowo - słabe gwiazdy (brązowe karły, czarne karły) i zwarte pozostałości gwiazd (gwiazdy neutronowe, czarne dziury). Ale taka barionowa ciemna materia nie może wyjaśnić pełnej skali brakującej masy w galaktykach.
Profil gęstości ciemnej materii - $ M (r) \ propto r $ i $ \ rho (r) \ propto r ^ {- 2} $.
Dane krzywej rotacji galaktyk spiralnych są zgodne z ciemną materią rozmieszczoną w ich halo.
To ciemne halo stanowi znaczną część całkowitej masy galaktyki.
Cała materia barionowa (gwiazdy, gromady gwiazd, ISM itp.) Jest utrzymywana razem przez grawitacyjny potencjał tego halo ciemnej materii.

Ciemną materię wykryto jedynie poprzez ich oddziaływanie grawitacyjne ze zwykłą materią. Nie zaobserwowano jeszcze interakcji ze światłem (brak siły elektromagnetycznej).
Neutrinos- Naładuj mniej, słabo oddziałuje, ale masa jest zbyt mniejsza (<0,23 eV). Cząsteczki DM powinny mieć E> 10 eV lub więcej, aby wyjaśnić powstawanie struktury.
Źródłem ciemnej materii mogą być słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMPS).

Materiał bliżej centrum Galaktyki ma krótszy okres czasu.
Wybrzuszenie ma mniej więcej stałą gęstość gwiazd.
Jasność powierzchni dysku spada wykładniczo wraz z promieniem.
Duże ilości ciemnej materii w dysku mogą zakłócać długoterminową stabilność dysku wobec sił pływowych.