Vũ trụ học - Đường cong Xoay Thiên hà Xoắn ốc

Trong chương này, chúng ta sẽ thảo luận về các Đường cong Xoay Thiên hà Xoắn ốc và bằng chứng về Vật chất Tối.

Bằng chứng ban đầu về vật chất tối là study of the Kinematics of Spiral Galaxy.
Mặt trời cách tâm Thiên hà của chúng ta 30.000 ánh sáng. Vận tốc tâm thiên hà là 220 km / s.
Tại sao vận tốc lại là 220 km / s mà không phải là 100 km / s hay 500 km / s? Cái gì chi phối chuyển động tròn đều của vật?
Khối lượng nằm trong bán kính giúp phát hiện vận tốc trong Vũ trụ.

Angular Velocity thay đổi theo khoảng cách từ trung tâm.
Khoảng thời gian quỹ đạo phụ thuộc vào khoảng cách từ tâm.
Vật chất ở gần Trung tâm Thiên hà có khoảng thời gian ngắn hơn và vật chất ở xa Trung tâm Thiên hà có khoảng thời gian lớn hơn.

Dự đoán sự thay đổi vận tốc với Galactic centric radius. Đường cong cho vận tốc thay đổi theo bán kính quỹ đạo.
Khi chúng ta nhìn thấy mọi thứ chuyển động, chúng ta nghĩ rằng chính lực hấp dẫn ảnh hưởng đến chuyển động quay.
Sự phân bố khối lượng thay đổi theo bán kính. Mật độ vật chất sẽ dự đoán đường cong xoay. Đường cong quay dựa trên mật độ vật chất, thay đổi theo bán kính.

Chúng tôi chọn miếng dán và xem lượng ánh sáng phát ra.
Lượng ánh sáng phát ra từ miếng dán được gọi là Độ sáng bề mặt.
Đơn vị của nó là mag/arcsec².
Nếu chúng ta thấy độ sáng bề mặt thay đổi theo bán kính, chúng ta có thể thấy chất sáng thay đổi theo bán kính.

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

$ h_R $ là độ dài tỷ lệ. $ \ mu (r) = \ mu_o \ ast exp \ left (\ frac {-r} {h_R} \ right) $
$ h_R $ là gần 3 kpc đối với Milky way.

Thiên hà Xoắn ốc

Để các Nhà thiên văn hiểu được đường cong quay, họ chia các Thiên hà thành hai thành phần, đó là -

Hình sau cho thấy một khối lồi cầu Trung tâm + Đĩa tròn. Sự phân bố sao và khí khác nhau ở chỗ phồng và đĩa.

Vận tốc tròn của vật bất kỳ - Đối với vật phồng là (r <Rb).

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

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

$$ V ^ 2 (r) = G \ ast \ frac {M (r)} {r} $$
Bulge có mật độ sao gần như không đổi.
Mật độ bên trong phần phình ra là không đổi (không thay đổi theo khoảng cách bên trong phần phình ra).
Trong một đĩa, mật độ sao giảm theo bán kính. Bán kính tăng thì chất phát sáng giảm.
Hàng loạt - $ V (r) \ propto r $
Trong đĩa - $ V (r) \ propto 1 / \ sqrt {r} $

Thông qua Spectroscopy (các thiên hà lân cận - thiên hà phân giải theo không gian), chúng tôi tạo ra đường cong quay.
Như đã đề cập ở trên, chúng ta thấy rằng đường cong quay phẳng ở các vùng bên ngoài, tức là các vật chuyển động nhanh ở các vùng bên ngoài, thường không được mong đợi ở dạng này.
Tốc độ quỹ đạo tăng khi bán kính của vùng bên trong tăng lên, nhưng nó sẽ phẳng ở vùng bên ngoài.

Vật chất tối được cho là Thành phần không phát sáng của Vũ trụ. Hãy để chúng tôi hiểu về vật chất tối thông qua các gợi ý sau.

Các đường cong quay phẳng phản ánh những gì chúng ta thấy về sự phân bố của các ngôi sao và khí trong các thiên hà xoắn ốc.
Độ sáng bề mặt của đĩa giảm dần theo cấp số nhân với bán kính, ngụ ý rằng khối lượng vật chất phát sáng, chủ yếu là các ngôi sao, tập trung xung quanh trung tâm thiên hà.
Việc làm phẳng đường cong quay gợi ý rằng tổng khối lượng của thiên hà trong bán kính nào đó r luôn luôn tăng với sự gia tăng trong r.
Điều này chỉ có thể được giải thích nếu có một lượng lớn khối lượng hấp dẫn vô hình trong các thiên hà này không phát ra bức xạ điện từ.
Các phép đo đường cong quay của các thiên hà xoắn ốc là một trong những bằng chứng thuyết phục nhất về vật chất tối.

Thiếu khối lượng - gấp 10 lần khối lượng phát sáng.
Phần lớn vật chất tối này phải nằm trong vầng hào quang của thiên hà: Một lượng lớn vật chất tối trong đĩa có thể làm xáo trộn sự ổn định lâu dài của đĩa trước các lực thủy triều.
Một số phần nhỏ của vật chất tối trong đĩa có thể là baryonic - sao mờ (sao lùn nâu, sao lùn đen), và tàn dư sao nhỏ gọn (sao neutron, lỗ đen). Nhưng vật chất tối baryonic như vậy không thể giải thích được quy mô đầy đủ của khối lượng bị thiếu trong các thiên hà.
Cấu hình mật độ của Vật chất tối - $ M (r) \ propto r $ và $ \ rho (r) \ propto r ^ {- 2} $.
Dữ liệu về đường cong quay của các thiên hà xoắn ốc phù hợp với vật chất tối được phân bố trong vầng hào quang của chúng.
Quầng tối này tạo nên phần lớn tổng khối lượng của thiên hà.
Tất cả các vật chất baryonic (sao, cụm sao, ISM, v.v.) được giữ lại với nhau bằng thế năng hấp dẫn của quầng vật chất tối này.

Vật chất tối chỉ được phát hiện thông qua tương tác hấp dẫn của chúng với một vật chất thông thường. Chưa quan sát thấy tương tác nào với ánh sáng (không có lực điện từ).
Neutrinos- Tích điện ít hơn, tương tác yếu, nhưng khối lượng quá nhỏ (<0,23 eV). Hạt DM phải có E> 10 eV hoặc hơn để giải thích sự hình thành cấu trúc.
Các hạt khối lượng lớn tương tác yếu (WIMPS) có thể là nguồn gốc của Vật chất tối.

Vật chất gần trung tâm Thiên hà có khoảng thời gian ngắn hơn.
Bulge có mật độ sao gần như không đổi.
Độ sáng bề mặt của đĩa giảm dần theo cấp số nhân với bán kính.
Một lượng lớn vật chất tối trong đĩa có thể làm xáo trộn sự ổn định lâu dài của đĩa trước các lực thủy triều.