شواهد ماده تاریک و دینامیک کهکشان

منحنی‌های چرخش مسطح کهکشان‌ها، حرکات کهکشان‌ها در خوشه‌ها، و همگرایی گرانشی همگی جرم گرانشی بیشتری را نسبت به ماده مرئی نشان می‌دهند که شواهد اصلی برای وجود ماده تاریک است.

Definition

شواهد دینامیکی برای ماده تاریک، مازاد سیستماتیک جرم گرانشی بر جرم مرئی است که از حرکات ستارگان و کهکشان‌ها و از همگرایی گرانشی استنباط می‌شود و نشان‌دهنده یک جزء جرمی نامرئی در کهکشان‌ها و خوشه‌ها است.

Scope

این موضوع ستون‌های رصدی ماده تاریک را پوشش می‌دهد: منحنی‌های چرخش مسطح کهکشان‌های مارپیچی، پراکندگی سرعت بالای کهکشان‌ها در خوشه‌ها، نقشه‌های جرمی همگرایی گرانشی از جمله خوشه گلوله، و چگونگی کمی‌سازی این اندازه‌گیری‌های دینامیکی مقدار و توزیع جرم نامرئی.

Core questions

• چرا منحنی‌های چرخش کهکشان در شعاع‌های بزرگ مسطح باقی می‌مانند؟
• چگونه دینامیک خوشه و همگرایی، ماده تاریک را آشکار می‌کنند؟
• خوشه گلوله چه چیزی را در مورد ماده تاریک نشان می‌دهد؟

Key concepts

• منحنی چرخش
• هاله ماده تاریک
• پراکندگی سرعت
• همگرایی گرانشی
• نسبت جرم به نور
• خوشه گلوله
• جرم ویریال

Key theories

منحنی‌های چرخش مسطح

سرعت‌های مداری ستارگان و گاز در کهکشان‌های مارپیچی به جای کاهش، در فواصل دور از مرکز تقریباً ثابت می‌مانند، که نشان‌دهنده یک هاله گسترده از جرم نامرئی در اطراف دیسک مرئی است.

اختلاف جرم خوشه

کهکشان‌ها در خوشه‌ها خیلی سریع حرکت می‌کنند تا فقط توسط گرانش ماده مرئی در کنار هم نگه داشته شوند، و همگرایی جرم کل بزرگ را تأیید می‌کند، که نشان‌دهنده ماده تاریک قابل توجه در مقیاس خوشه‌ها است.

Mechanisms

سرعت‌های مداری اندازه‌گیری شده و انحرافات همگرایی با استفاده از گرانش به جرم محصور تبدیل می‌شوند؛ جرم حاصله بسیار بیشتر از جرم ستارگان و گاز است، و جابجایی فضایی بین جرم همگرایی و گاز پرتو ایکس در خوشه‌های برخوردی نشان می‌دهد که جرم غالب، ماده تاریک بدون برخورد است نه باریون‌های معمولی.

Clinical relevance

این مشاهدات پایه و اساس تجربی ماده تاریک هستند: آنها ثابت می‌کنند که کهکشان‌ها و خوشه‌ها در هاله‌های تاریک عظیم قرار گرفته‌اند، چگالی محلی ماده تاریک مرتبط با آزمایش‌های تشخیص را تعیین می‌کنند، و قوی‌ترین شواهد را ارائه می‌دهند که جرم گمشده یک ماده جدید و با تعامل ضعیف است.

History

تحلیل خوشه زویکی در سال ۱۹۳۳ برای اولین بار به جرم گمشده اشاره کرد، اما این موضوع با منحنی‌های چرخش مسطح روبین و فورد در حدود سال ۱۹۷۰ قانع‌کننده شد؛ بررسی‌های همگرایی گرانشی و مشاهده خوشه گلوله در سال ۲۰۰۶ بعداً تأیید چشمگیری ارائه دادند که ماده تاریک از گاز معمولی متمایز است.

Debates

جایگزین‌های گرانش اصلاح‌شده

پیشنهادهایی مانند دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده می‌توانند برخی از منحنی‌های چرخش کهکشان را بدون ماده تاریک توجیه کنند، اما آنها با خوشه‌ها و خوشه گلوله مشکل دارند، که بحث جاری را در مورد اینکه آیا ماده جدید یا گرانش جدید داده‌ها را بهتر توضیح می‌دهد، دامن می‌زند.

Key figures

• Vera Rubin
• Kent Ford
• Fritz Zwicky
• Jeremiah Ostriker
• Douglas Clowe

Seminal works

• rubin1970
• zwicky1933

Frequently asked questions

منحنی چرخش کهکشان چیست؟

این نموداری است از سرعت چرخش ستارگان و گاز در یک کهکشان به عنوان تابعی از فاصله از مرکز آن؛ مشاهده اینکه این سرعت‌ها در فواصل دور بالا می‌مانند، به جای کاهش، نشانه بارز یک هاله ماده تاریک گسترده است.

چرا خوشه گلوله به عنوان شواهد قوی در نظر گرفته می‌شود؟

در خوشه گلوله، دو خوشه کهکشانی با هم برخورد کردند و گاز داغ، که بخش عمده‌ای از ماده معمولی است، کند شد و از بخش عمده‌ای از جرم نقشه‌برداری شده توسط همگرایی جدا شد؛ این جابجایی به طور طبیعی توضیح داده می‌شود اگر بیشتر جرم، ماده تاریک بدون برخورد باشد.