在本章中，我们将讨论有关螺旋星系旋转曲线和暗物质的证据。

暗物质和关于暗物质的观察事实

• 暗物质的早期证据是对螺旋星系运动学的研究。

• 太阳距我们银河系中心30,000光年。银河系中心速度为220 km / s。

• 为什么220 km / s的速度不是100 km / s或500 km / s?是什么决定着物体的圆周运动?

• 半径内包含的质量有助于检测宇宙中的速度。

银河系或螺旋星系的旋转–差分旋转

• 角速度随距中心的距离而变化。

• 轨道时间周期取决于距中心的距离。

• 距银河系中心较近的物质的时间周期较短，而距银河系中心较远的物质的时间周期较长。

旋转曲线

• 预测银河系中心半径的速度变化。给出速度的曲线随轨道半径而变化。

• 当我们看到事物移动时，我们认为是重力影响旋转。

• 质量分布随半径而变化。物质密度将预测旋转曲线。基于物质密度的旋转曲线，其随半径而变化。

表面亮度

• 我们选择贴片，看看有多少光出来。

• 来自贴片的光量称为表面亮度。

• 它的单位是mag / arcsec ² 。

• 如果我们发现表面亮度随半径而变化，我们可以发现发光物质随半径而变化。

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

  $ h_R $是刻度长度。 $ \ mu(r)= \ mu_o \ ast exp \ left(\ frac {-r} {h_R} \ right)$

• 对于银河系，$ h_R $接近3 kpc。

螺旋星系

为了使天文学家了解旋转曲线，他们将星系分为两个部分，即-

• 磁碟
• 凸

下图显示了中央球形凸起+圆盘。凸起和圆盘中的恒星和气体分布不同。

螺旋星系的运动学

• 任何物体的圆周速度–对于凸起，为(r

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

  $$ M(r)= \ frac {4 \ pi r ^ 3} {3} \ ast \ rho_b $$

• 对于磁盘–(Rb

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

• 凸起的恒星密度大致恒定。

• 凸起内的密度是恒定的(不会随着凸起内的距离而变化)。

• 在磁盘中，恒星密度随半径降低。半径增加，然后发光物质减少。

• 散装– $ V(r)\ propr r $

• 光盘中– $ V(r)\ prop1 / 1 / \ sqrt {r} $

螺旋星系的旋转曲线

• 通过光谱学(附近的星系–在空间上解析星系)，我们产生了旋转曲线。

• 如上所述，我们看到旋转曲线在外部区域是平坦的，即事物在外部区域中快速移动，通常不会期望这种形式。

• 轨道速度随着内部区域半径的增加而增加，但在外部区域变平。

暗物质

暗物质被认为是宇宙的非发光成分。让我们通过以下指针了解暗物质。

• 平坦的自转曲线与我们在旋涡星系中看到的恒星和气体分布相反。

• 圆盘的表面光度随半径呈指数下降，这意味着大部分是恒星的发光物质聚集在银河系中心附近。

• 旋转曲线的平稳意味着一些半径r内的星系的总质量与r中增加一直增大。

• 只有在这些星系中存在大量不可见的引力质量而不会发出电磁辐射的情况下，才能对此进行解释。

• 旋涡星系的自转曲线测量是暗物质最有说服力的证据之一。

暗物质的证据

• 质量缺失–发光质量的10倍。

• 这些暗物质中的大多数必须位于星系的光晕中：磁盘中的大量暗物质会干扰磁盘抵抗潮汐力的长期稳定性。

• 盘中暗物质的一小部分可以是重子星–昏暗的恒星(棕矮星，黑矮星)和紧凑的恒星残骸(中子星，黑洞)。但是这种重子暗物质无法解释星系中缺失质量的全部尺度。

• 暗物质的密度分布– $ M(r)\ proto r $和$ \ rho(r)\ propto r ^ {-2} $。

• 旋涡星系的旋转曲线数据与分布在其晕圈中的暗物质一致。

• 这个黑暗的晕圈构成了银河系的总质量的大部分。

• 所有重子物质(恒星，恒星团，ISM等)都被这种暗物质晕的引力所束缚。

结论

• 暗物质只能通过它们与普通物质的引力相互作用来检测。尚未观察到与光的相互作用(没有电磁力)。

• 中微子-电荷少，相互作用弱，但质量太小(<0.23 eV)。 DM颗粒的E> 10 eV左右以解释结构的形成。

• 相互作用薄弱的质点(WIMPS)可能是暗物质的来源。

要记住的要点

• 距银河系中心较近的物质的时间周期较短。

• 凸起的恒星密度大致恒定。

• 圆盘的表面光度随半径呈指数下降。

• 磁盘中的大量暗物质会干扰磁盘抵抗潮汐力的长期稳定性。