宇宙學 - 螺旋星系旋轉曲線

本章將討論螺旋星系旋轉曲線以及暗物質的證據。

暗物質和關於暗物質的觀測事實

暗物質的早期證據是對螺旋星系運動學的學習。
太陽距離我們銀河系的中心3萬光年。銀心速度為220公里/秒。
為什麼速度是220公里/秒而不是100公里/秒或500公里/秒？什麼決定了物體的圓周運動？
半徑內包含的質量有助於探測宇宙中的速度。

銀河系或螺旋星系的旋轉 - 微分旋轉

角速度隨距離中心的距離而變化。
軌道週期取決於距中心的距離。
靠近銀心處的物質週期較短，遠離銀心處的物質週期較長。

旋轉曲線

預測速度隨銀心半徑的變化。該曲線給出了速度隨軌道半徑的變化。
當我們看到物體運動時，我們認為是引力影響了旋轉。
質量分佈隨半徑變化。物質密度將預測旋轉曲線。基於隨半徑變化的物質密度的旋轉曲線。

表面亮度

我們選擇一個區域並觀察有多少光發出。
從該區域發出的光量稱為表面亮度。
其單位為mag/arcsec²。
如果我們發現表面亮度隨半徑變化，我們可以發現發光物質隨半徑變化。

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

$h_R$是尺度長度。$\mu(r) = \mu_o \ast exp \left( \frac{-r}{h_R} \right ) $
$h_R$對於銀河系來說大約是3千秒差距。

螺旋星系

為了理解旋轉曲線，天文學家將星系分為兩個部分：

盤
核球

下圖顯示了一箇中心球形核球+圓盤。恆星和氣體的分佈在核球和盤中是不同的。

Spherical Bulge

螺旋星系的運動學

任何物體的圓周速度 - 對於核球 (r < Rb)。

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

$$M(r) = \frac{4\pi r^3}{3} \ast \rho_b$$
對於圓盤 - (Rb < r < Rd)

$$V^2(r) = G \ast \frac{M(r)}{r}$$
核球具有大致恆定的恆星密度。
核球內的密度是恆定的（在核球內不隨距離變化）。
在盤中，恆星密度隨半徑減小。半徑增大，發光物質減少。
在核球中 - $V(r) \propto r$
在盤中 - $V(r) \propto 1/\sqrt{r}$

螺旋星系的旋轉曲線

透過光譜學（附近的星系 - 空間分辨的星系），我們產生了旋轉曲線。
如上所述，我們看到旋轉曲線在外區是平坦的，即外區的東西運動很快，這通常不是這種形式。
軌道速度隨著內區半徑的增加而增加，但在外區變平。

暗物質

暗物質被稱為宇宙的非發光成分。讓我們透過以下要點了解暗物質。

平坦的旋轉曲線與我們在螺旋星系中看到的恆星和氣體分佈相反。
盤的表面光度隨半徑呈指數下降，這意味著發光物質（主要是恆星）的質量集中在銀河系中心附近。
旋轉曲線的平坦化表明，在某個半徑r內星系的總質量總是隨著r的增加而增加。
這隻有在這些星系中存在大量不可見的引力質量的情況下才能解釋，而這些質量不會發出電磁輻射。
螺旋星系的旋轉曲線測量是暗物質最令人信服的證據之一。

暗物質的證據

失蹤質量 - 發光質量的10倍。
大部分暗物質一定位於星系的暈中：大量暗物質存在於盤中會擾亂盤面對抗潮汐力的長期穩定性。
盤中一小部分暗物質可能是重子物質——暗星（褐矮星、黑矮星）和緻密恆星殘餘物（中子星、黑洞）。但是這種重子暗物質無法解釋星系中失蹤質量的全部規模。
暗物質的密度分佈 - $M(r) \propto r$ 和 $\rho(r) \propto r^{−2}$。
螺旋星系的旋轉曲線資料與分佈在其暈中的暗物質一致。
這個暗暈構成了星系大部分總質量。
所有重子物質（恆星、星團、星際介質等）都由這個暗物質暈的引力勢保持在一起。

結論

暗物質僅透過其與普通物質的引力相互作用被探測到。尚未觀察到與光的相互作用（沒有電磁力）。
中微子 - 無電荷，弱相互作用，但質量太小（< 0.23 eV）。DM粒子應該有E > 10 eV左右才能解釋結構形成。
弱相互作用大質量粒子 (WIMPS) 可能是暗物質的來源。

要點

靠近銀心處的物質週期較短。
核球具有大致恆定的恆星密度。
盤的表面光度隨半徑呈指數下降。
大量暗物質存在於盤中會擾亂盤面對抗潮汐力的長期穩定性。

列印頁面

廣告