Ротационная кривая галактики может быть представлена графиком, на котором отображена зависимость орбитальной скорости звёзд и газа в галактике (ось y) от расстояния до центра галактики (ось x). Звёзды вращаются вокруг центра галактики с постоянной скоростью в большом диапазоне расстояний от центра галактики. Таким образом, звёзды вращаются гораздо быстрее, чем ожидалось, если бы они находились в свободном потенциале Ньютона. Проблема вращения галактик — это несоответствие между наблюдаемыми скоростями вращения материи в дисковых частях спиральных галактик и предсказаниями кеплеровской динамики, учитывающими только видимую массу. В настоящий момент считается, что это несоответствие выдаёт присутствие «тёмной материи», которая пронизывает галактику и простирается до галактического гало.
Содержание |
В 1959 году Луис Волдерс (Louise Volders) показал, что спиральная галактика М33 (Галактика Треугольника) не вращается так, как ожидалось в соответствии с кеплеровской динамикой,[1] в 70-х годах[2] полученный результат был распространён на многие другие спиральные галактики. В соответствии с этой моделью, вещество (такое как звёзды или газ) в дисковой части спирали должно вращаться вокруг центра галактики аналогично тому, как планеты в солнечной системе вращаются вокруг Солнца, то есть в соответствии с механикой Ньютона. Основываясь на этом, можно было ожидать, что средняя орбитальная скорость объекта на определённом расстоянии от наибольшего распределения массы будет уменьшаться обратно пропорционально квадратному корню от радиуса орбиты (штрихованная линия на Рис. 1). Во времена открытия несоответствия считалось, что большая часть массы галактики должна находиться в галактическом балдже, около центра галактики.
Однако, наблюдения ротационной кривой спиралей не подтвердили этого. Наоборот, кривая не уменьшается обратно пропорционально квадратному корню, а является «плоской» — снаружи от центрального балджа скорость является практически постоянной функцией от радиуса (сплошная линия на Рис. 1). Объяснение, которое требует наименьшего изменения в физических законах вселенной — в том, что существует значительное количество материи на большом расстоянии от центра галактики, которая не излучает свет в таком же отношении «масса-к-свету», как центральный балдж. Астрономы предполагают, что эта дополнительная масса появляется благодаря «тёмной материи» внутри галактического гало. Существование гало первый раз было постулировано Фрицем Цвикки (Fritz Zwicky) сорока годами раньше в его трудах о массах скоплений галактик. В настоящий момент, существует большое количество наблюдаемых свидетельств существования «холодной тёмной материи» и её присутствие является значительной особенностью современной Лямбда-CDM модели, которая описывает космологию Вселенной.
Являясь важным элементом убеждения людей в существовании «тёмной материи», новейший труд о кривых вращения галактик также бросает ей один из самых больших вызовов. Дальнейшее исследование кривых вращения галактик с низкой поверхностной яркостью (LSB галактик) в 1990 годах[3] и их позиции в соотношении Талли-Фишера[4] показало, что они не ведут себя так, как ожидалось. В этих галактиках тёмная материя должна была бы преобладать в удивительной манере. Однако, такие карликовые галактики с преобладанием тёмной материи могут являться ключом к решению «проблемы карликовых галактик» и «проблемы формирования структуры».
Ещё больший вызов теории тёмной материи, или, по крайней мере, её самой популярной форме — холодной тёмной материи (CDM) бросает анализ центров галактик с низкой поверхностной яркостью. Множественные моделирования, основанные на «холодной тёмной материи» дали предсказания формы кривых вращения в центрах систем с преобладанием тёмной материи, таких как эти галактики. Наблюдения фактических кривых вращения не показали предсказанной формы.[5] Эта так называемая «проблема порогового гало» (cuspy halo problem) тёмной холодной материи считается теоретическими космологами «послушной проблемой».
Эти теории тёмной материи продолжают поддерживаться, как объяснение кривых вращения галактики, потому что свидетельства существования тёмной материи получены не только из этих кривых вращения. Они также были уникально успешны в моделировании формирования крупномасштабной структуры в распределении галактик и в объяснении динамики групп и скоплений галактик (как первоначально предложено Цвикки). Тёмная материя также правильно предсказывает результаты наблюдения «гравитационной фокусировки» (гравилинзирования).
Есть небольшое количество попыток найти альтернативные тёмной материи объяснения кривым вращения галактик. Одна из самых обсуждаемых альтернатив — теория MoND (модифицированная ньютоновская динамика). Изначально предложенная ещё в 1983 году как феменологическое объяснение, но которая как теперь видно имела и предсказательную силу для кривых вращения галактик с низкой поверхностной яркостью. Эта теория утверждает, что физика гравитации изменяется при больших масштабах, но до недавнего времени она не была релятивистской теорией. Однако, с развитием тензорно-скалярно-векторной гравитации (TeVeS) теории это изменилось. Более успешная альтернатива — это модифицированная гравитация Моффата (MOG), такая как, например, скалярно-тензорно-векторная гравитация (STVG). Джоэл Бронштейн и Джон Моффат приложили MOG к проблеме ротационных кривых галактик и показали её пригодность для выборки из более чем 100 LSB, HSB и карликовых галактик. Каждая из представленных кривых вращения галактик подходила без необходимости в скрытой массе, используя только доступные фотометрические данные (звёздное вещество и видимый газ).
Кривая вращения галактики.
