Cosmologia - Curvas de rotação da galáxia espiral

Neste capítulo, discutiremos as curvas de rotação da galáxia espiral e as evidências de matéria escura.

Matéria escura e fato observacional sobre a matéria escura

A evidência inicial da matéria escura foi a study of the Kinematics of Spiral Galaxy.
O Sol está deslocado 30.000 anos-luz do centro de nossa galáxia. A velocidade central da galáxia é de 220 km / s.
Por que a velocidade de 220 km / s não é 100 km / s ou 500 km / s? O que governa o movimento circular do objeto?
A massa contida no raio ajuda a detectar a velocidade no Universo.

Rotação da Via Láctea ou Galáxia Espiral - Rotação Diferencial

Angular Velocity varia com a distância do centro.
O período orbital depende da distância do centro.
O material mais próximo do Centro Galáctico tem um período de tempo mais curto e o material longe do Centro Galáctico tem um período de tempo maior.

Curva de Rotação

Preveja a mudança de velocidade com o Galactic centric radius. A curva que fornece as mudanças de velocidade com o raio orbital.
Quando vemos as coisas se movendo, pensamos que é a gravidade que influencia a rotação.
A distribuição da massa varia com o raio. A densidade da matéria irá prever a curva de rotação. A curva de rotação com base na densidade da matéria, que varia com o raio.

Brilho da superfície

Nós escolhemos o patch e vemos quanta luz está saindo.
A quantidade de luz proveniente do patch é chamada de brilho da superfície.
Sua unidade é mag/arcsec².
Se descobrirmos que o brilho da superfície varia com o raio, podemos descobrir que a matéria luminosa varia com o raio.

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

$ h_R $ é o comprimento da escala. $ \ mu (r) = \ mu_o \ ast exp \ left (\ frac {-r} {h_R} \ right) $
$ h_R $ é quase 3 kpc para a Via Láctea.

Galáxias Espirais

Para que os astrônomos entendam a curva rotacional, eles dividem as galáxias em dois componentes, que são -

Disk
Bulge

A imagem a seguir mostra uma protuberância esférica central + disco circular. A distribuição estelar e de gás é diferente na protuberância e no disco.

Cinemática de Galáxias Espirais

A velocidade circular de qualquer objeto - para a protuberância é (r <Rb).

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

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

$$ V ^ 2 (r) = G \ ast \ frac {M (r)} {r} $$
Bulge tem uma densidade aproximadamente constante de estrelas.
A densidade dentro da saliência é constante (não muda com a distância dentro da saliência).
Em um disco, a densidade estelar diminui com o raio. O raio aumenta e a matéria luminosa diminui.
A granel - $ V (r) \ propto r $
No disco - $ V (r) \ propto 1 / \ sqrt {r} $

Curva Rotacional de Galáxias Espirais

Através de Spectroscopy (galáxias próximas - resolvida espacialmente a galáxia), produzimos a curva de rotação.
Como mencionado acima, vemos que a curva de rotação é plana nas regiões externas, ou seja, as coisas estão se movendo rapidamente nas regiões externas, o que geralmente não é esperado nesta forma.
A velocidade orbital aumenta com o aumento do raio da região interna, mas fica achatada na região externa.

Matéria escura

Diz-se que a matéria escura é o componente não luminoso do universo. Vamos entender sobre a matéria escura através das seguintes dicas.

As curvas de rotação planas são contrárias ao que vemos para a distribuição de estrelas e gás nas galáxias espirais.
A luminosidade da superfície do disco cai exponencialmente com o raio, implicando que a massa da matéria luminosa, principalmente estrelas, está concentrada em torno do centro galáctico.
O achatamento da curva de rotação sugere que a massa total da galáxia dentro de algum raio r está aumentando sempre com o aumento de r.
Isso só pode ser explicado se houver uma grande quantidade de massa gravitante invisível nessas galáxias que não esteja emitindo radiação eletromagnética.
As medições da curva de rotação de galáxias espirais é um dos conjuntos de evidências mais convincentes para a matéria escura.

Evidência de matéria escura

Missing Mass - 10 vezes a massa luminosa.
A maior parte dessa matéria escura deve estar no halo da galáxia: grandes quantidades de matéria escura no disco podem perturbar a estabilidade de longo prazo do disco contra as forças das marés.
Uma pequena fração da matéria escura no disco pode ser bariônica - estrelas escuras (anãs marrons, anãs negras) e remanescentes estelares compactos (estrelas de nêutrons, buracos negros). Mas essa matéria escura bariônica não pode explicar a escala completa da massa ausente nas galáxias.
Perfil de densidade da matéria escura - $ M (r) \ propto r $ e $ \ rho (r) \ propto r ^ {- 2} $.
Os dados da curva de rotação para galáxias espirais são consistentes com a matéria escura distribuída em seu halo.
Este halo escuro constitui grande parte da massa total da galáxia.
Toda a matéria bariônica (estrelas, aglomerados de estrelas, ISM, etc.) é mantida unida pelo potencial gravitacional deste halo de matéria escura.

Conclusão

A matéria escura só foi detectada por meio de sua interação gravitacional com uma matéria comum. Nenhuma interação com a luz (nenhuma força eletromagnética) ainda foi observada.
Neutrinos- Carregue menos, interagindo fracamente, mas a massa é muito menor (<0,23 eV). Partículas de DM devem ter E> 10 eV ou mais para explicar a formação da estrutura.
Partículas maciças de interação fraca (WIMPS) podem ser a fonte de matéria escura.

Pontos para lembrar

O material mais próximo do centro galáctico tem um período de tempo mais curto.
Bulge tem uma densidade aproximadamente constante de estrelas.
A luminosidade da superfície do disco diminui exponencialmente com o raio.
Grandes quantidades de matéria escura no disco podem perturbar a estabilidade a longo prazo do disco contra as forças das marés.