การหมุนของกาแล็กซีและฮาโลของสสารมืด

เส้นโค้งการหมุนของทางช้างเผือกยังคงเกือบจะแบนราบไกลออกไปจากจานที่มองเห็นได้ ซึ่งเป็นหลักฐานเชิงพลวัตโดยตรงสำหรับฮาโลของสสารมืดที่ขยายออกไป

Definition

เส้นโค้งการหมุนของกาแล็กซีคือความเร็วเชิงวงกลมของดาวฤกษ์และแก๊สที่เป็นฟังก์ชันของระยะทางจากศูนย์กลางกาแล็กซี การที่เส้นโค้งไม่ลดลงที่รัศมีขนาดใหญ่บ่งชี้ถึงฮาโลของสสารมืด ซึ่งเป็นการกระจายตัวของมวลที่ไม่เปล่งแสงที่ขยายออกไปและแรงโน้มถ่วงของมันครอบงำกาแล็กซีส่วนนอก

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการหมุนเชิงอนุพันธ์และค่าคงที่ของ Oort การสร้างและการตีความเส้นโค้งการหมุนของกาแล็กซี การอนุมานหามวลรวมที่ล้อมรอบจากความเร็วเชิงวงกลม และโครงสร้างของฮาโลของสสารมืด รวมถึงโปรไฟล์ความหนาแน่น เช่น รูปแบบ NFW ที่ได้มาจากการจำลองทางจักรวาลวิทยา

Core questions

• เส้นโค้งการหมุนของทางช้างเผือกวัดได้อย่างไร และเหตุใดจึงยังคงแบนราบ?
• ค่าคงที่ของ Oort บอกอะไรเราเกี่ยวกับการหมุนเชิงอนุพันธ์ในท้องถิ่น?
• มวลรวมของกาแล็กซีอนุมานได้อย่างไรจากจลนศาสตร์ของมัน?
• โปรไฟล์ความหนาแน่นใดที่อธิบายฮาโลของสสารมืด และมีที่มาอย่างไร?

Key theories

เส้นโค้งการหมุนที่แบนราบเป็นหลักฐานของสสารมืด

ความเร็วเชิงวงกลมยังคงที่โดยประมาณไกลออกไปจากจานที่ส่องสว่าง ซึ่งต้องใช้มวลที่ล้อมรอบที่เพิ่มขึ้นตามรัศมี ซึ่งอธิบายได้ตามธรรมชาติด้วยฮาโลของสสารมืดที่ขยายออกไป

การหมุนเชิงอนุพันธ์และค่าคงที่ของ Oort

Oort แสดงให้เห็นว่าสนามความเร็วในท้องถิ่นของดาวฤกษ์ในจานสะท้อนถึงการหมุนเชิงอนุพันธ์ ซึ่งกำหนดโดยค่าคงที่ A และ B ซึ่งเข้ารหัสความเร็วการหมุนในท้องถิ่นและการไล่ระดับรัศมีของมัน

โปรไฟล์ความหนาแน่นของฮาโลที่เป็นสากล

การจำลองทางจักรวาลวิทยาของการรวมกลุ่มแบบลำดับชั้นทำนายว่าฮาโลของสสารมืด รวมถึงของทางช้างเผือก จะเป็นไปตามโปรไฟล์ความหนาแน่นที่เป็นสากลเกือบทั้งหมด ซึ่งมีความชันเพิ่มขึ้นตามรัศมี นั่นคือโปรไฟล์ NFW

Clinical relevance

เส้นโค้งการหมุนของทางช้างเผือกและกาแล็กซีเกลียวภายนอกเป็นรากฐานสำคัญของกรณีสสารมืด ซึ่งปรับเปลี่ยนจักรวาลวิทยา มวลฮาโลที่อนุมานได้ยังกำหนดสภาพแวดล้อมแรงโน้มถ่วงที่ควบคุมกาแล็กซีบริวารและการรวมตัวในอนาคตของกาแล็กซี

History

Oort ได้ทำการวัดปริมาณการหมุนของกาแล็กซีในท้องถิ่นในช่วงทศวรรษ 1930 และการสำรวจไฮโดรเจนที่เป็นกลางในภายหลังได้ติดตามเส้นโค้งการหมุนไปยังรัศมีขนาดใหญ่ การศึกษาด้วยสเปกโทรสโกปีของ Rubin และ Ford ในปี 1970 ของกาแล็กซีแอนโดรเมดาและกาแล็กซีเกลียวที่ตามมาได้เปิดเผยเส้นโค้งการหมุนที่แบนราบ และภายในทศวรรษ 1990 การจำลองทางจักรวาลวิทยาได้ให้คำอธิบายเชิงทฤษฎีของฮาโลของสสารมืดที่เป็นสาเหตุ

Key figures

• Jan Oort
• Vera Rubin
• Kent Ford
• Simon White

Seminal works

• rubin1970
• oort1932
• navarro1997

Frequently asked questions

เหตุใดเส้นโค้งการหมุนที่แบนราบจึงน่าประหลาดใจ?

หากมวลส่วนใหญ่เป็นไปตามดาวฤกษ์ที่มองเห็นได้ ความเร็วการหมุนควรลดลงที่รัศมีขนาดใหญ่เหมือนวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ เส้นโค้งที่แบนราบที่สังเกตได้หมายความว่ามีมวลจำนวนมากที่รัศมีขนาดใหญ่มากกว่าที่แสงเผยให้เห็น ซึ่งเป็นผลมาจากสสารมืด

สสารมืดสามารถถูกแทนที่ด้วยแรงโน้มถ่วงที่ปรับเปลี่ยนได้หรือไม่?

ทางเลือกอื่น เช่น พลศาสตร์นิวตันที่ปรับเปลี่ยนสามารถอธิบายเส้นโค้งการหมุนได้หลายเส้น แต่ภาพของฮาโลสสารมืดเป็นที่นิยมมากกว่า เนื่องจากยังอธิบายการเลนส์โน้มถ่วง พลศาสตร์ของกระจุกกาแล็กซี และพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลภายในกรอบเดียวกัน