Космология — Кривые вращения спиральной галактики

В этой главе мы поговорим о кривых вращения спиральной галактики и доказательствах о Темной Материи.

Темная Материя и Наблюдательный Факт о Темной Материи

• Ранним свидетельством темной материи было изучение кинематики спиральной галактики .

• Солнце смещено на 30 000 световых лет от центра нашей Галактики. Центральная галактическая скорость составляет 220 км / с.

• Почему скорость 220 км / с не 100 км / с или 500 км / с? Что управляет круговым движением объекта?

• Масса, заключенная в радиусе, помогает определять скорость во Вселенной.

Ранним свидетельством темной материи было изучение кинематики спиральной галактики .

Солнце смещено на 30 000 световых лет от центра нашей Галактики. Центральная галактическая скорость составляет 220 км / с.

Почему скорость 220 км / с не 100 км / с или 500 км / с? Что управляет круговым движением объекта?

Масса, заключенная в радиусе, помогает определять скорость во Вселенной.

Вращение Млечного Пути или Спиральная Галактика — Дифференциальное Вращение

• Угловая скорость зависит от расстояния от центра.

• Орбитальный период времени зависит от расстояния от центра.

• Материал, расположенный ближе к Галактическому центру, имеет более короткий период времени, а материал, удаленный от Галактического центра, имеет больший период времени.

Угловая скорость зависит от расстояния от центра.

Орбитальный период времени зависит от расстояния от центра.

Материал, расположенный ближе к Галактическому центру, имеет более короткий период времени, а материал, удаленный от Галактического центра, имеет больший период времени.

Кривая вращения

• Предсказать изменение скорости в зависимости от радиуса Галактики . Кривая, которая дает скорость, изменяется в зависимости от радиуса орбиты.

• Когда мы видим, что все движется, мы думаем, что гравитация влияет на вращение.

• Распределение массы зависит от радиуса. Плотность вещества будет предсказывать кривую вращения. Кривая вращения основана на плотности вещества, которая зависит от радиуса.

Предсказать изменение скорости в зависимости от радиуса Галактики . Кривая, которая дает скорость, изменяется в зависимости от радиуса орбиты.

Когда мы видим, что все движется, мы думаем, что гравитация влияет на вращение.

Распределение массы зависит от радиуса. Плотность вещества будет предсказывать кривую вращения. Кривая вращения основана на плотности вещества, которая зависит от радиуса.

Яркость поверхности

• Мы выбираем патч и видим, сколько света выходит.

• Количество света, исходящего от пластыря, называется поверхностной яркостью.

• Единица измерения — mag / arcsec ² .

• Если мы обнаружим, что поверхностная яркость меняется в зависимости от радиуса, мы можем обнаружить, что светящаяся материя изменяется в зависимости от радиуса.

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

  $h_R$ — длина шкалы. $\ mu (r) = \ mu_o \ ast exp \ left (\ frac {-r} {h_R} \ right)$

• $h_R$ для Млечного пути составляет почти 3 кпк.

Мы выбираем патч и видим, сколько света выходит.

Количество света, исходящего от пластыря, называется поверхностной яркостью.

Единица измерения — mag / arcsec ² .

Если мы обнаружим, что поверхностная яркость меняется в зависимости от радиуса, мы можем обнаружить, что светящаяся материя изменяется в зависимости от радиуса.

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

$h_R$ — длина шкалы. $\ mu (r) = \ mu_o \ ast exp \ left (\ frac {-r} {h_R} \ right)$

$h_R$ для Млечного пути составляет почти 3 кпк.

Спиральные галактики

Чтобы Астрономы поняли кривую вращения, они разделили Галактики на две составляющие, которые —

• диск
• Выпуклость

На следующем изображении показана центральная сферическая выпуклость + круговой диск. Звездное и газовое распределение различно в выпуклости и на диске.

Кинематика спиральных галактик

• Круговая скорость любого объекта — для выпуклости равна (r <Rb).

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

  $$M (r) = \ frac {4 \ pi r ^ 3} {3} \ ast \ rho_b$$

• Для диска — (Rb <r <Rd)

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

• Выпуклость имеет примерно постоянную плотность звезд.

• Плотность внутри выпуклости постоянна (не изменяется с расстоянием внутри выпуклости).

• В диске звездная плотность уменьшается с радиусом. Радиус увеличивается, тогда светящееся вещество уменьшается.

• In Bulk — $V (r) \ propto r$

• На диске — $V (r) \ propto 1 / \ sqrt {r}$

Круговая скорость любого объекта — для выпуклости равна (r <Rb).

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

$$M (r) = \ frac {4 \ pi r ^ 3} {3} \ ast \ rho_b$$

Для диска — (Rb <r <Rd)

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

Выпуклость имеет примерно постоянную плотность звезд.

Плотность внутри выпуклости постоянна (не изменяется с расстоянием внутри выпуклости).

В диске звездная плотность уменьшается с радиусом. Радиус увеличивается, тогда светящееся вещество уменьшается.

In Bulk — $V (r) \ propto r$

На диске — $V (r) \ propto 1 / \ sqrt {r}$

Вращательная кривая спиральных галактик

• Посредством спектроскопии (соседние галактики — пространственно разрешенные галактики) мы получаем кривую вращения.

• Как упомянуто выше, мы видим, что кривая вращения является плоской во внешних областях, т.е. вещи движутся быстро во внешних областях, что, как правило, не ожидается в такой форме.

• Орбитальная скорость увеличивается с увеличением радиуса внутренней области, но она выравнивается во внешней области.

Посредством спектроскопии (соседние галактики — пространственно разрешенные галактики) мы получаем кривую вращения.

Как упомянуто выше, мы видим, что кривая вращения является плоской во внешних областях, т.е. вещи движутся быстро во внешних областях, что, как правило, не ожидается в такой форме.

Орбитальная скорость увеличивается с увеличением радиуса внутренней области, но она выравнивается во внешней области.

Темная материя

Говорят, что Темная Материя — это не светящийся компонент Вселенной. Давайте разберемся с темной материей с помощью следующих указателей.

Плоские кривые вращения противоречат тому, что мы видим для распределения звезд и газа в спиральных галактиках.

Поверхностная светимость диска падает экспоненциально с радиусом, подразумевая, что масса светящегося вещества, главным образом звезд, сконцентрирована вокруг центра галактики.

Сглаживание кривой вращения предполагает, что общая масса галактики в пределах некоторого радиуса r всегда увеличивается с увеличением r .

Это можно объяснить только в том случае, если в этих галактиках имеется большое количество невидимой гравитирующей массы, которая не излучает электромагнитное излучение.

Измерение кривой вращения спиральных галактик является одним из наиболее убедительных доказательств темной материи.

Недостающая масса — в 10 раз больше светящейся массы.

Большая часть этой темной материи должна находиться в гало галактики: большое количество темной материи в диске может нарушить долговременную устойчивость диска к приливным силам.

Некоторая небольшая доля темной материи в диске может быть барионно-тусклыми звездами (коричневые карлики, черные карлики) и компактными звездными остатками (нейтронные звезды, черные дыры). Но такая барионная темная материя не может объяснить полный масштаб недостающей массы в галактиках.

Профиль плотности темной материи — $M (r) \ propto r$ и $\ rho (r) \ propto r ^ {- 2}$.

Данные кривой вращения для спиральных галактик согласуются с темной материей, распределенной в их гало.

Этот темный ореол составляет большую часть общей массы галактики.

Все барионное вещество (звезды, звездные скопления, ISM и т. Д.) Удерживаются вместе гравитационным потенциалом этого гало темной материи.

Темная материя была обнаружена только через их гравитационное взаимодействие с обычной материей. Никакого взаимодействия со светом (без электромагнитной силы) пока не наблюдалось.

Нейтрино — меньше заряжают, слабо взаимодействуют, но масса слишком мала (<0,23 эВ). Частицы DM должны иметь E> 10 эВ или около того, чтобы объяснить формирование структуры.

Слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPS) могут быть источником темной материи.

Материал ближе к Галактическому центру имеет более короткий период времени.

Выпуклость имеет примерно постоянную плотность звезд.

Поверхностная светимость диска экспоненциально падает с радиусом.

Большое количество темной материи в диске может нарушить долговременную устойчивость диска к воздействию приливных сил.