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星系的视速度弥散测量



暗物质的第一个直接证据来自弗里茨·兹威基。他进行了一些观测,首次揭示了暗物质的存在。他的观测考虑了星系团内的整体运动。

扩展物体是星系团,它们被认为是束缚结构。这些星系相对于星系团中心运动,但不会飞散出去。我们观察星系的整体运动。

假设:速度代表潜在的势能

每个星系在星系团内都有其自身的自行运动和哈勃流分量。较小的星系较小,大部分光来自M31和银河系,还有一些矮星系。对于我们粗略的分析,我们只能使用M31和银河系,并评估本星系群的动力学质量。

我们和M31之间存在相对速度。这很粗略,但却是事实。故事开始于很久以前,当时M31和银河系彼此靠近,因为它们是星系团的成员,所以它们彼此远离。一段时间后,它们达到最大分离距离,然后彼此靠近。

假设它们所能达到的最大分离距离为rmax。现在它们的分离距离为r。设M为银河系和M31的总质量。我们不知道rmax何时达到。

GMrmax=rmax

当这些星系在某个时刻r彼此靠近时,系统的能量将为−

12σ2=GMr=GMrmax

σ是两个星系的相对速度。M仅为折合质量,但测试质量为1。σ是距离星系团中心r处的任何物体的速度。我们认为这个星系团处于动态平衡状态,因为维里定理成立。因此,星系不能以不同的速度运动。

这些星系需要多长时间才能达到最大距离?

为了理解这一点,让我们考虑以下方程。

12(drdt)2=GMrGMrmax

tmax=rmax0dt=rmax0dr2GM(1r1rmax)2

tmax=πr32max22GM

其中,M = 本星系群的动力学质量。从碰撞开始到结束的总时间为2tmax。因此,

2tmax=t0+Dσ

t0是宇宙的当前年龄。

如果实际tmax<RHS,那么我们对时间有一个下限。D/σ是它们再次碰撞的时间。这里,我们假设σ是常数。

tmax=t02+D2σ

rmax=tmax×σ=770Kpc

这里,σ = 银河系和M31之间的相对速度。

Mdynamic=3×1012M0

MlumMW=3×1010M0

MlumM31=3×1010M0

但在实践中,动力学质量是通过考虑星系团内每个星系来计算的。缺失的质量就是暗物质,弗里茨·兹威基注意到后发座星系团中的星系运动速度过快。他在中子星被发现的次年就预测了中子星的存在,并使用帕洛玛望远镜寻找超新星。

要点

  • 暗物质的第一个直接证据来自弗里茨·兹威基

  • 扩展物体是星系团,它们被认为是束缚结构

  • 动力学质量是通过考虑星系团内每个星系来计算的。

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