宇宙学 - 螺旋星系旋转曲线
在本章中，我们将讨论螺旋星系旋转曲线和暗物质的证据。
暗物质和有关暗物质的观测事实
暗物质的早期证据是对螺旋星系运动学的研究。
太阳距银河系中心 30,000 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？物体做圆周运动是由什么决定的？
半径内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
角速度随着距中心的距离而变化。
轨道时间周期取决于距中心的距离。
离银心较近的物质，时间周期较短，远离银心的物质，时间周期较大。
旋转曲线
预测速度随银河系中心半径的变化。给出速度随轨道半径变化的曲线。
当我们看到物体移动时，我们认为是重力影响了旋转。
质量分布随半径变化。物质密度将预测旋转曲线。基于物质密度的旋转曲线，随半径变化。
表面亮度
我们选择贴片，看看有多少光发出来。
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变化，我们就可以发现发光物质随半径变化。
$$\mu(r) \propto exp \left( \frac{-r}{h_R} \right )$$
$h_R$ 是刻度长度。$\mu(r) = \mu_o \ast exp \left( \frac{-r}{h_R} \right )$
对于银河系来说，$h_R$ 接近 3 kpc。
螺旋星系
为了让天文学家理解旋转曲线，他们将星系分成两个部分，它们是 -
- 磁盘
- 凸
下图显示了中央球形凸起 + 圆盘。恒星和气体的分布在核球和盘中是不同的。
螺旋星系的运动学
-
任何物体的圆周速度 – 对于凸起部分为 (r < Rb)。
$$V^2(r) = G \ast \frac{M(r)}{r}$$
$$M(r) = \frac{4\pi r^3}{3} \ast \rho_b$$
-
对于磁盘 – (Rb < r < Rd)
$$V^2(r) = G \ast \frac{M(r)}{r}$$
核球的恒星密度大致恒定。
凸出部内的密度是恒定的（不随凸出部内的距离而变化）。
在圆盘中，恒星密度随着半径的增加而减小。半径增加则发光物质减少。
批量 – $V(r) \propto r$
在光盘中 – $V(r) \propto 1/\sqrt{r}$
螺旋星系的自转曲线
通过光谱学（附近的星系 - 空间解析的星系），我们产生旋转曲线。
如上所述，我们看到旋转曲线在外部区域是平坦的，即物体在外部区域移动得很快，通常不会出现这种形式。
轨道速度随着内部区域半径的增加而增加，但在外部区域则变平。
暗物质
据说暗物质是宇宙的不发光成分。让我们通过以下几点来了解暗物质。
平坦的旋转曲线与我们所看到的螺旋星系中恒星和气体的分布相反。
圆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周围。
旋转曲线的平坦化表明，某个半径r内的星系总质量总是随着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且不发出电磁辐射的情况下才能解释。
螺旋星系的旋转曲线测量是暗物质最引人注目的证据之一。
暗物质的证据
缺失质量 – 发光质量的 10 倍。
大多数暗物质必定存在于星系的光晕中：盘中的大量暗物质会扰乱盘对抗潮汐力的长期稳定性。
盘中暗物质的一小部分可能是重子——昏暗的恒星（褐矮星、黑矮星）和致密的恒星遗迹（中子星、黑洞）。但这种重子暗物质无法解释星系中质量缺失的全部规模。
暗物质的密度剖面 – $M(r) \propto r$ 和 $\rho(r) \propto r^{−2}$。
螺旋星系的旋转曲线数据与其晕中分布的暗物质一致。
这个暗晕构成了星系总质量的大部分。
所有重子物质（恒星、星团、ISM 等）都通过暗物质晕的引力势聚集在一起。
结论
暗物质只能通过它们与普通物质的引力相互作用来被探测到。尚未观察到与光的相互作用（无电磁力）。
中微子- 电荷较少，相互作用较弱，但质量太小（< 0.23 eV）。DM 颗粒的 E > 10 eV 左右才能解释结构的形成。
弱相互作用大质量粒子（WIMPS）可能是暗物质的来源。
需要记住的要点
越接近银河系中心的物质，其时间周期越短。
核球的恒星密度大致恒定。
圆盘的表面光度随半径呈指数下降。
圆盘中的大量暗物质会扰乱圆盘抵抗潮汐力的长期稳定性。