Кривая вращения галактики

Кривая вращения типичной спиральной галактики: предсказанная (A) и наблюдаемая (B) (Рис. 1).

Кривая вращения галактики — функция, описывающая кинематические свойства галактики[1] и представляющая собой зависимость орбитальной скорости звёзд и газа в галактике от расстояния до центра галактики. Совокупность большого объёма наблюдаемых данных свидетельствует, что скорость вращения звёзд не убывает на большом расстоянии от центра галактик, как ожидалось в соответствии с предсказаниями кеплеровской динамики, учитывающими только видимую массу. В настоящий момент считается, что это является доказательством существования у галактик гало тёмной материи, хотя предлагались и альтернативные объяснения.

Наблюдаемые данные

Вид на большом расстоянии от центра

Согласно принципам кеплеровской динамики, вещество (такое как звёзды или газ) в дисковой части спиральных галактик должно вращаться вокруг центра галактики аналогично тому, как планеты в Солнечной системе вращаются вокруг Солнца, то есть в соответствии с механикой Ньютона. На основании этого можно было бы 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). В ранний период изучения динамики спиральных галактик считалось, что большая часть их массы должна находиться в галактическом балдже, около центра галактики.

В 1939 году Хорес Бэбкок в своей диссертации опубликовал первое серьёзное свидетельство поведения кривой вращения, кардинально отличавшегося от предсказаний: его кривая вращения галактики туманность Андромеды не убывала обратно пропорционально квадратному корню, а являлась «пологой» — снаружи от центрального балджа скорость практически не зависела от радиуса. Годом позже аналогичный результат для галактики NGC 3115 получил Ян Оорт. В 1950-е годы эту картину подтвердили более точные наблюдения галактик M 31 и М33 в радиодиапазоне[2][3]. А в 70-х годах этот результат был распространён и на многие другие спиральные галактики — большую роль сыграли работы Альберта Босмы[4], Веры Рубин и Кента Форда  (англ.) (рус.[5], Кена Фримена[6] и ряда других специалистов.

Вид на малом расстоянии от центра

Дальнейшее исследование кривых вращения галактик низкой поверхностной яркости (LSB галактик) в 1990 годах[7] и их положений в соотношении Талли-Фишера[8] показало, что они не ведут себя не в соответствии с ожиданиями. Многочисленные численные моделирования, основанные на «холодной тёмной материи», давали предсказания формы кривых вращения в центральных областях таких систем с преобладанием тёмной материи, как эти галактики. Наблюдения кривых вращения не показали предсказанной формы[9]. Эта так называемая «проблема каспов» (cuspy halo problem) считается серьёзной проблемой в космологии.

Теоретическое объяснение

Тёмная материя

Объяснение, которое требует наименьшего изменения в физических законах Вселенной — в том, что на большом расстоянии от центра галактики существует значительное количество материи, для которой характерно соотношение «масса-светимость», отличное от такового для центрального балджа. Общепринятой является гипотеза, что эта дополнительная масса в гало представляет собой тёмную материю, проявляющую себя лишь в гравитационном взаимодействии. Её существование предполагалось начиная с первой половины XX века в работах Яна Оорта, Фрица Цвикки и других учёных. В настоящий момент существует большое количество других наблюдаемых свидетельств существования тёмной материи, и оно является частью Лямбда-CDM модели, которая описывает космологию Вселенной.

Альтернативные теории

Существует несколько альтернативных тёмной материи объяснений кривым вращения галактик. Одна из самых обсуждаемых альтернатив — теория MoND (модифицированная ньютоновская динамика), изначально предложенная в 1983 году[10] как феноменологическое объяснение, в том числе для кривых вращения галактик низкой поверхностной яркости. Эта теория утверждает, что физика гравитации изменяется на больших масштабах. Изначально она не была релятивистской, однако впоследствии была предложена тензор-вектор-скалярная теория гравитации[en] (TeVeS) — релятивистское развитие MoND. Ещё одна альтернатива — это теория модифицированной гравитации Моффата (MOG), называемая также скаляр-тензор-векторной теорией гравитации[en] (STVG)[11]. Джон Моффат совместно с Джоэлом Бронштейном использовали её для решения проблемы кривых вращения галактик и показали её применимость для выборки из более чем 100 галактик как низкой, так и высокой поверхностной яркости, а также карликовых галактик, и их кривые вращения галактик объяснялись с помощью MOG без необходимости привлечения теории тёмной материи, с использованием только доступных фотометрических данных (звёздное вещество и видимый газ).

Между тем, классическая модель холодной тёмной материи продолжает оставаться общепринятым объяснением кривых вращения галактики, потому что свидетельства существования тёмной материи получены не только из этих кривых вращения, а также из моделирования формирования крупномасштабной структуры в распределении галактик, наблюдения динамики групп и скоплений галактик (как первоначально аргументировал Фриц Цвикки). Наличие темной материи также объясняет результаты наблюдения гравитационного линзирования[12].

См. также

Примечания

  1. ↑ Врашение галактики. Дата обращения: 17 июня 2015. Архивировано 17 июня 2015 года.
  2. ↑ van de Hulst H. C., Raimond E., vanWoerden H. Rotation and density distribution of the Andromeda nebula derived from observations of the 21-cm line : [англ.] : [арх. 23 октября 2021] // Bulletin of the Astronomical Institutes of the Netherlands. — 1957. — Т. 14, № 480 (9 November). — С. 1. — Bibcode: 1957BAN....14....1V.
  3. ↑ L. Volders. Neutral hydrogen in M 33 and M 101 (англ.) // Astronomy and Astrophysics : journal. — Vol. 14. — P. 323—334.
  4. ↑ Bosma, A. The distribution and kinematics of neutral hydrogen in spiral galaxies of various morphological types (англ.) : journal. — University of Groningen, 1978. — Bibcode: 1978PhDT.......195B. Архивировано 14 мая 2011 года.
  5. ↑ Rubin V. C., Ford W. K. Jr.  (англ.) (рус.. Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 1970. — February (vol. 159). — P. 379—403. — doi:10.1086/150317. — Bibcode: 1970ApJ...159..379R.
  6. ↑ Freeman K. C. On the Disks of Spiral and S0 Galaxies : [англ.] : [арх. 13 апреля 2020] // The Astrophysical Journal. — 1970. — Т. 160 (June). — С. 811—830. — Bibcode: 1970ApJ...160..811F. — doi:10.1086/150474.
  7. ↑ W. J. G. de Blok, S. McGaugh. The dark and visible matter content of low surface brightness disc galaxies (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society : journal. — Oxford University Press, 1997. — Vol. 290. — P. 533—552. available online at the Smithsonian/NASA Astrophysics Data System
  8. ↑ M. A. Zwaan, J. M. van der Hulst, W. J. G. de Blok, S. McGaugh. The Tully-Fisher relation for low surface brightness galaxies: implications for galaxy evolution (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society : journal. — Oxford University Press, 1995. — Vol. 273. — P. L35—L38. available online at the Smithsonian/NASA Astrophysics Data System
  9. ↑ W. J. G. de Blok, A. Bosma. High-resolution rotation curves of low surface brightness galaxies (англ.) // Astronomy and Astrophysics : journal. — 2002. — Vol. 385. — P. 816—846. available online at the Smithsonian/NASA Astrophysics Data System
  10. ↑ M. Milgrom. A modification of the Newtonian dynamics as a possible alternative to the hidden mass hypothesis : [англ.] : [арх. 26 ноября 2020] // Astrophysical Journal. — 1983. — Т. 270 (July). — С. 365-370. — doi:10.1086/161130.
  11. ↑ J. W. Moffat & V. T. Toth (2007), Modified Gravity: Cosmology without dark matter or Einstein's cosmological constant, arΧiv:0710.0364 [astro-ph]. 
  12. ↑ Einasto J. Dark matter // Astronomy and Astrophysics : [англ.] : [арх. 11 января 2021] / Ed. by Oddbjørn Engvold, Rolf Stabell, Bozena Czerny and John Lattanzio. — Singapore : EOLSS Publishers, 2012. — Т. 2. — С. 174. — 488 с. — (Encyclopedia of Life Support Systems). — ISBN 978-1-84826-823-4.

Ссылки