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