宇宙学 - 螺旋星系旋转曲线

本章将讨论螺旋星系旋转曲线以及暗物质的证据。

暗物质和关于暗物质的观测事实

暗物质的早期证据是对螺旋星系运动学的学习。
太阳距离我们银河系的中心3万光年。银心速度为220公里/秒。
为什么速度是220公里/秒而不是100公里/秒或500公里/秒？什么决定了物体的圆周运动？
半径内包含的质量有助于探测宇宙中的速度。

银河系或螺旋星系的旋转 - 微分旋转

角速度随距离中心的距离而变化。
轨道周期取决于距中心的距离。
靠近银心处的物质周期较短，远离银心处的物质周期较长。

旋转曲线

预测速度随银心半径的变化。该曲线给出了速度随轨道半径的变化。
当我们看到物体运动时，我们认为是引力影响了旋转。
质量分布随半径变化。物质密度将预测旋转曲线。基于随半径变化的物质密度的旋转曲线。

表面亮度

我们选择一个区域并观察有多少光发出。
从该区域发出的光量称为表面亮度。
其单位为mag/arcsec²。
如果我们发现表面亮度随半径变化，我们可以发现发光物质随半径变化。

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

$h_R$是尺度长度。$\mu(r) = \mu_o \ast exp \left( \frac{-r}{h_R} \right ) $
$h_R$对于银河系来说大约是3千秒差距。

螺旋星系

为了理解旋转曲线，天文学家将星系分为两个部分：

盘
核球

下图显示了一个中心球形核球+圆盘。恒星和气体的分布在核球和盘中是不同的。

Spherical Bulge

螺旋星系的运动学

任何物体的圆周速度 - 对于核球 (r < Rb)。

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

$$M(r) = \frac{4\pi r^3}{3} \ast \rho_b$$
对于圆盘 - (Rb < r < Rd)

$$V^2(r) = G \ast \frac{M(r)}{r}$$
核球具有大致恒定的恒星密度。
核球内的密度是恒定的（在核球内不随距离变化）。
在盘中，恒星密度随半径减小。半径增大，发光物质减少。
在核球中 - $V(r) \propto r$
在盘中 - $V(r) \propto 1/\sqrt{r}$

螺旋星系的旋转曲线

通过光谱学（附近的星系 - 空间分辨的星系），我们产生了旋转曲线。
如上所述，我们看到旋转曲线在外区是平坦的，即外区的东西运动很快，这通常不是这种形式。
轨道速度随着内区半径的增加而增加，但在外区变平。

暗物质

暗物质被称为宇宙的非发光成分。让我们通过以下要点了解暗物质。

平坦的旋转曲线与我们在螺旋星系中看到的恒星和气体分布相反。
盘的表面光度随半径呈指数下降，这意味着发光物质（主要是恒星）的质量集中在银河系中心附近。
旋转曲线的平坦化表明，在某个半径r内星系的总质量总是随着r的增加而增加。
这只有在这些星系中存在大量不可见的引力质量的情况下才能解释，而这些质量不会发出电磁辐射。
螺旋星系的旋转曲线测量是暗物质最令人信服的证据之一。

暗物质的证据

失踪质量 - 发光质量的10倍。
大部分暗物质一定位于星系的晕中：大量暗物质存在于盘中会扰乱盘面对抗潮汐力的长期稳定性。
盘中一小部分暗物质可能是重子物质——暗星（褐矮星、黑矮星）和致密恒星残余物（中子星、黑洞）。但是这种重子暗物质无法解释星系中失踪质量的全部规模。
暗物质的密度分布 - $M(r) \propto r$ 和 $\rho(r) \propto r^{−2}$。
螺旋星系的旋转曲线数据与分布在其晕中的暗物质一致。
这个暗晕构成了星系大部分总质量。
所有重子物质（恒星、星团、星际介质等）都由这个暗物质晕的引力势保持在一起。

结论

暗物质仅通过其与普通物质的引力相互作用被探测到。尚未观察到与光的相互作用（没有电磁力）。
中微子 - 无电荷，弱相互作用，但质量太小（< 0.23 eV）。DM粒子应该有E > 10 eV左右才能解释结构形成。
弱相互作用大质量粒子 (WIMPS) 可能是暗物质的来源。

要点

靠近银心处的物质周期较短。
核球具有大致恒定的恒星密度。
盘的表面光度随半径呈指数下降。
大量暗物质存在于盘中会扰乱盘面对抗潮汐力的长期稳定性。

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