จักรวาลวิทยา - เส้นโค้งการหมุนของกาแล็กซีเกลียว
ในบทนี้เราจะพูดถึงเส้นโค้งการหมุนของกาแล็กซีเกลียวและหลักฐานสำหรับสสารมืด
สสารมืดและข้อเท็จจริงเชิงสังเกตเกี่ยวกับสสารมืด
หลักฐานเริ่มต้นของสสารมืดคือ study of the Kinematics of Spiral Galaxy.
ดวงอาทิตย์ชดเชย 30,000 ปีแสงจากใจกลางดาราจักรของเรา ความเร็วศูนย์กลางกาแลคซีคือ 220 กม. / วินาที
ทำไมความเร็ว 220 กม. / วินาทีถึงไม่ 100 กม. / วินาทีหรือ 500 กม. / วินาที? อะไรควบคุมการเคลื่อนที่เป็นวงกลมของวัตถุ?
มวลที่อยู่ในรัศมีช่วยตรวจจับความเร็วในเอกภพ
การหมุนของทางช้างเผือกหรือกาแล็กซีก้นหอย - การหมุนแบบดิฟเฟอเรนเชียล
Angular Velocity แตกต่างกันไปตามระยะทางจากศูนย์กลาง
ระยะเวลาการโคจรขึ้นอยู่กับระยะห่างจากจุดศูนย์กลาง
วัสดุที่อยู่ใกล้กับศูนย์กลางกาแลกติกมีระยะเวลาสั้นกว่าและวัสดุที่อยู่ห่างจากศูนย์กลางกาแลกติกมีช่วงเวลาที่มากขึ้น
เส้นโค้งการหมุน
ทำนายการเปลี่ยนแปลงความเร็วด้วย Galactic centric radius. เส้นโค้งที่ให้ความเร็วเปลี่ยนแปลงตามรัศมีวงโคจร
เมื่อเราเห็นสิ่งต่างๆเคลื่อนไหวเราคิดว่ามันเป็นแรงโน้มถ่วงที่มีอิทธิพลต่อการหมุน
การกระจายมวลแปรผันตามรัศมี ความหนาแน่นของสสารจะทำนายเส้นโค้งการหมุน เส้นโค้งการหมุนตามความหนาแน่นของสสารซึ่งแตกต่างกันไปตามรัศมี
ความสว่างของพื้นผิว
เราเลือกแพทช์และดูว่าแสงออกมามากแค่ไหน
ปริมาณแสงที่มาจากแพทช์เรียกว่า Surface Brightness
หน่วยของมันคือ mag/arcsec2.
หากเราพบว่าความสว่างของพื้นผิวแตกต่างกันไปตามรัศมีเราจะพบว่าสสารส่องสว่างแตกต่างกันไปตามรัศมี
$$ \ mu (r) \ propto exp \ left (\ frac {-r} {h_R} \ right) $$
$ h_R $ คือความยาวมาตราส่วน $ \ mu (r) = \ mu_o \ ast exp \ left (\ frac {-r} {h_R} \ right) $
$ h_R $ คือเกือบ 3 kpc สำหรับทางช้างเผือก
กาแลคซีเกลียว
เพื่อให้นักดาราศาสตร์เข้าใจเส้นโค้งการหมุนพวกเขาแบ่งกาแลคซีออกเป็นสองส่วนคือ -
- Disk
- Bulge
ภาพต่อไปนี้แสดงกระพุ้งกลางทรงกลม + ดิสก์แบบวงกลม การกระจายของดาวฤกษ์และก๊าซมีความแตกต่างกันในส่วนนูนและดิสก์
จลนศาสตร์ของกาแลคซีเกลียว
-
ความเร็ววงกลมของวัตถุใด ๆ - สำหรับส่วนนูนคือ (r <Rb)
$$ V ^ 2 (r) = G \ ast \ frac {M (r)} {r} $$
$$ M (r) = \ frac {4 \ pi r ^ 3} {3} \ ast \ rho_b $$
-
สำหรับดิสก์ - (Rb <r <Rd)
$$ V ^ 2 (r) = G \ ast \ frac {M (r)} {r} $$
Bulge มีความหนาแน่นคงที่ของดาว
ความหนาแน่นภายใน Bulge จะคงที่ (ไม่เปลี่ยนแปลงตามระยะทางภายใน Bulge)
ในดิสก์ความหนาแน่นของดาวฤกษ์จะลดลงตามรัศมี รัศมีเพิ่มขึ้นเมื่อสสารส่องสว่างลดลง
ใน Bulk - $ V (r) \ propto r $
ในดิสก์ - $ V (r) \ propto 1 / \ sqrt {r} $
เส้นโค้งการหมุนของกาแลคซีเกลียว
ผ่าน Spectroscopy (กาแล็กซีใกล้เคียง - แก้ไขกาแล็กซีเชิงพื้นที่) เราสร้างเส้นโค้งการหมุน
ดังที่ได้กล่าวมาแล้วเราจะเห็นว่าเส้นโค้งการหมุนแบนที่บริเวณรอบนอกนั่นคือสิ่งต่างๆกำลังเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วในพื้นที่รอบนอกซึ่งโดยทั่วไปไม่คาดว่าจะอยู่ในรูปแบบนี้
ความเร็วในการโคจรจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของรัศมีของพื้นที่ด้านใน แต่จะแบนในพื้นที่ด้านนอก
สสารมืด
กล่าวกันว่าสสารมืดเป็นส่วนประกอบที่ไม่ส่องสว่างของจักรวาล ให้เราทำความเข้าใจเกี่ยวกับสสารมืดผ่านคำแนะนำต่อไปนี้
เส้นโค้งการหมุนแบนสวนทางกับสิ่งที่เราเห็นสำหรับการกระจายตัวของดาวและก๊าซในดาราจักรชนิดก้นหอย
ความส่องสว่างของพื้นผิวของดิสก์จะหลุดออกไปอย่างมีรัศมีซึ่งหมายความว่ามวลของสสารเรืองแสงซึ่งส่วนใหญ่เป็นดวงดาวกระจุกตัวอยู่รอบ ๆ ใจกลางกาแลคซี
การแบนของเส้นโค้งการหมุนแสดงให้เห็นว่ามวลรวมของดาราจักรภายในรัศมีบางส่วน r จะเพิ่มขึ้นเสมอเมื่อเพิ่มขึ้น r.
สิ่งนี้สามารถอธิบายได้ก็ต่อเมื่อมีมวลความโน้มถ่วงที่มองไม่เห็นจำนวนมากในกาแลคซีเหล่านี้ซึ่งไม่ได้ให้รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา
การวัดเส้นโค้งการหมุนของดาราจักรชนิดก้นหอยเป็นหนึ่งในชุดหลักฐานที่น่าสนใจที่สุดสำหรับสสารมืด
หลักฐานของสสารมืด
Missing Mass - 10 เท่าของมวลการส่องสว่าง
สสารมืดนี้ส่วนใหญ่ต้องอยู่ในรัศมีของกาแลคซี: สสารมืดจำนวนมากในดิสก์สามารถรบกวนเสถียรภาพในระยะยาวของดิสก์จากแรงคลื่นยักษ์
เศษเสี้ยวเล็ก ๆ ของสสารมืดในดิสก์อาจเป็นแบริออน - ดาวสลัว (ดาวแคระน้ำตาลดาวแคระดำ) และเศษซากดาวฤกษ์ขนาดกะทัดรัด (ดาวนิวตรอนหลุมดำ) แต่สสารมืดแบริออนดังกล่าวไม่สามารถอธิบายมวลที่หายไปทั้งหมดในกาแลคซีได้
โปรไฟล์ความหนาแน่นของสสารมืด - $ M (r) \ propto r $ และ $ \ rho (r) \ propto r ^ {- 2} $
ข้อมูลเส้นโค้งการหมุนของดาราจักรชนิดก้นหอยสอดคล้องกับสสารมืดที่กระจายอยู่ในรัศมี
รัศมีแห่งความมืดนี้ประกอบขึ้นเป็นส่วนใหญ่ของมวลรวมของดาราจักร
สสารแบริโอนิกทั้งหมด (ดาวกระจุกดาว ISM ฯลฯ ) ถูกยึดเข้าด้วยกันโดยศักย์โน้มถ่วงของรัศมีสสารมืดนี้
สรุป
สสารมืดถูกตรวจพบผ่านปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงกับสสารธรรมดาเท่านั้น ยังไม่พบปฏิสัมพันธ์กับแสง (ไม่มีแรงแม่เหล็กไฟฟ้า)
Neutrinos- ชาร์จน้อยลงโต้ตอบน้อย แต่มวลน้อยเกินไป (<0.23 eV) อนุภาค DM ควรมี E> 10 eV หรือมากกว่านั้นเพื่ออธิบายการสร้างโครงสร้าง
การโต้ตอบอนุภาคขนาดใหญ่ (WIMPS) ที่อ่อนแออาจเป็นที่มาของ Dark Matter
สิ่งที่ต้องจำ
วัสดุที่อยู่ใกล้กับศูนย์กลางกาแลกติกมีระยะเวลาสั้นกว่า
Bulge มีความหนาแน่นคงที่ของดาว
ความส่องสว่างของพื้นผิวของดิสก์จะหลุดออกไปอย่างมีรัศมี
สสารมืดจำนวนมากในดิสก์อาจรบกวนความเสถียรในระยะยาวของดิสก์จากแรงน้ำขึ้นน้ำลง