Свидетельства существования темной материи и динамика галактик

Плоские кривые вращения галактик, движения галактик в скоплениях и гравитационное линзирование — все это указывает на наличие большей гравитирующей массы, чем может быть объяснено видимой материей, что является основным доказательством существования темной материи.

Definition

Динамические доказательства существования темной материи — это систематический избыток гравитирующей массы над видимой массой, выведенный из движений звезд и галактик, а также из гравитационного линзирования, что указывает на наличие невидимого компонента массы в галактиках и скоплениях.

Scope

Эта тема охватывает наблюдательные основы существования темной материи: плоские кривые вращения спиральных галактик, высокие дисперсии скоростей галактик в скоплениях, карты массы, полученные с помощью гравитационного линзирования, включая скопление Пуля, а также то, как эти динамические измерения количественно определяют количество и распределение невидимой массы.

Core questions

• Почему кривые вращения галактик остаются плоскими на больших радиусах?
• Как динамика скоплений и линзирование выявляют темную материю?
• Что скопление Пуля показывает о темной материи?

Key concepts

• Кривая вращения
• Гало темной материи
• Дисперсия скоростей
• Гравитационное линзирование
• Отношение массы к светимости
• Скопление Пуля
• Вириальная масса

Key theories

Плоские кривые вращения

Орбитальные скорости звезд и газа в спиральных галактиках остаются примерно постоянными на большом расстоянии от центра вместо того, чтобы уменьшаться, что подразумевает наличие протяженного гало невидимой массы, окружающего видимый диск.

Несоответствие массы скоплений

Галактики в скоплениях движутся слишком быстро, чтобы удерживаться вместе только гравитацией видимой материи, и линзирование подтверждает большую общую массу, демонстрируя значительное количество темной материи в масштабах скоплений.

Mechanisms

Измеренные орбитальные скорости и отклонения при линзировании преобразуются в заключенную массу с использованием гравитации; полученная масса значительно превышает массу звезд и газа, а пространственное смещение между массой, определяемой линзированием, и рентгеновским газом в сталкивающихся скоплениях показывает, что доминирующая масса — это бесстолкновительная темная материя, а не обычные барионы.

Clinical relevance

Эти наблюдения являются эмпирической основой темной материи: они устанавливают, что галактики и скопления погружены в массивные темные гало, определяют локальную плотность темной материи, имеющую отношение к экспериментам по обнаружению, и предоставляют наиболее убедительные доказательства того, что недостающая масса является новым, слабо взаимодействующим веществом.

History

Анализ скоплений Цвикки в 1933 году впервые указал на недостающую массу, но убедительным это стало благодаря плоским кривым вращения Рубин и Форда около 1970 года; обзоры гравитационного линзирования и наблюдение скопления Пуля в 2006 году позднее предоставили поразительное подтверждение того, что темная материя отличается от обычного газа.

Debates

Альтернативы модифицированной гравитации

Предложения, такие как модифицированная ньютоновская динамика, могут объяснить некоторые кривые вращения галактик без темной материи, но они сталкиваются с трудностями при объяснении скоплений и скопления Пуля, что подпитывает продолжающиеся дебаты о том, что лучше объясняет данные — новая материя или новая гравитация.

Key figures

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

Seminal works

• rubin1970
• zwicky1933

Frequently asked questions

Что такое кривая вращения галактики?

Это график зависимости скорости вращения звезд и газа в галактике от расстояния до ее центра; наблюдение того, что эти скорости остаются высокими на больших расстояниях, а не уменьшаются, является характерным признаком протяженного гало темной материи.

Почему скопление Пуля считается убедительным доказательством?

В скоплении Пуля два скопления галактик столкнулись, и горячий газ, основная часть обычной материи, замедлился и отделился от основной массы, отображенной линзированием; это смещение естественным образом объясняется, если большая часть массы является бесстолкновительной темной материей.