Диск тәрізді галактиканың айналу қисығы (немесе жылдамдық қисығы) – бұл галактикадағы көзге көрінетін жұлдыздардың немесе газдың орбиталық жылдамдықтарының, галактика орталығынан радиалдық қашықтыққа байланысты графигі. Әдетте, ол график түрінде бейнеленеді, ал спиральді галактиканың әр жағынан алынған деректер көбінесе асимметриялық болады, сондықтан қисық құру үшін әр жақтың деректері орташаланады. Байқалатын тәжірибелік қисықтар мен галактикадағы байқалатын материяға гравитация теориясын қолдану арқылы есептелген қисық арасында маңызды сәйкессіздік бар. Қара материяға қатысты теориялар – бұл осы айырмашылықты түсіндіруге ұсынылған негізгі шешімдер. Галактикалардың/жұлдыздардың айналу/орбиталық жылдамдықтары, массасының көп бөлігі орталықта орналасқан жұлдыздар/планеталар және планеталар/айлар сияқты басқа орбиталық жүйелердегі ережелерге сәйкес келмейді. Жұлдыздар өз галактикасының ортасының айналасында үлкен қашықтықтар бойында бірдей немесе арта түсетін жылдамдықпен айналады. Керісінше, планеталар жүйесіндегі планеталардың және планеталардың айналасында айналатын айлардың орбиталық жылдамдықтары Кеплердің үшінші заңына сәйкес қашықтықпен азаяды. Бұл осы жүйелердегі массаның таралуын көрсетеді. Галактикалардың жарық шығаруына негізделген массалық есептеулер, жылдамдық байқауларын түсіндіру үшін тым төмен. Галактика айналуының мәселесі – бұл байқалатын галактика айналу қисықтары мен теориялық болжам арасындағы сәйкессіздік, байқалатын жарқыраған материямен байланысты орталықта басым массаны ескере отырып. Галактикалардың массалық профильдері спиральдардағы жұлдыздардың таралуынан және жұлдыздық дискілердегі масса мен жарық арақатынасынан есептелгенде, олар байқалатын айналу қисықтарынан және гравитация заңынан алынған массалармен сәйкес келмейді. Бұл мәселені шешудің бір жолы – қара материяның бар екенін гипотезалау және оның галактика орталығынан галоға дейін таралуын болжау. Қара материя айналу мәселесінің ең қабылданған түсіндірмесі болғанымен, басқа ұсыныстар да әртүрлі деңгейде табысқа жеткен. Мүмкін болатын баламалардың бірі – модификацияланған Ньютон динамикасы (МОНД), ол гравитация заңдарын өзгертуді қамтиды.
The rotation curve of a disc galaxy (also called a velocity curve) is a plot of the orbital speeds of visible stars or gas in that galaxy versus their radial distance from that galaxy's centre. It is typically rendered graphically as a plot, and the data observed from each side of a spiral galaxy are generally asymmetric, so that data from each side are averaged to create the curve. A significant discrepancy exists between the experimental curves observed, and a curve derived by applying gravity theory to the matter observed in a galaxy. Theories involving dark matter are the main postulated solutions to account for the variance. The rotational/orbital speeds of galaxies/stars do not follow the rules found in other orbital systems such as stars/planets and planets/moons that have most of their mass at the centre. Stars revolve around their galaxy's centre at equal or increasing speed over a large range of distances. In contrast, the orbital velocities of planets in planetary systems and moons orbiting planets decline with distance according to Kepler’s third law. This reflects the mass distributions within those systems. The mass estimations for galaxies based on the light they emit are far too low to explain the velocity observations. The galaxy rotation problem is the discrepancy between observed galaxy rotation curves and the theoretical prediction, assuming a centrally dominated mass associated with the observed luminous material. When mass profiles of galaxies are calculated from the distribution of stars in spirals and mass to light ratios in the stellar disks, they do not match with the masses derived from the observed rotation curves and the law of gravity. A solution to this conundrum is to hypothesize the existence of dark matter and to assume its distribution from the galaxy's center out to its halo. Though dark matter is by far the most accepted explanation of the rotation problem, other proposals have been offered with varying degrees of success. Of the possible alternatives, one of the most notable is modified Newtonian dynamics (MOND), which involves modifying the laws of gravity.
Тарих
1932 жылы Ян Хендрик Оорт алғаш рет Күн жүйесінің жанындағы жұлдыздардың өлшемдері, көзге көрінетін материяға негізделген масса таралуы ескерілгенде, күтілгеннен жылдам қозғалатынын көрсетті, бірақ бұл өлшемдер кейіннен негізінен дұрыс емес екені анықталды. 1939 жылы Хорас Бэбкок өзінің PhD диссертациясында Андромеда галактикасының айналу қисығының өлшемдерін ұсынды, ол масса мен жарық арақатынасының радиалды түрде артатынын көрсетті. Ол мұны галактика ішіндегі жарықтың сіңірілуіне немесе спиральдың сыртқы бөліктеріндегі динамиканың өзгеруіне, ал емес, жоғалған материяның қандай да бір түріне байланысты деп түсіндірді. Бэбкоктың өлшемдері кейінірек алынған нәтижелермен сәйкес келмеді, ал қазіргі деректермен жақсы келісетін кеңейтілген айналу қисығының алғашқы өлшемі 1957 жылы Хенк ван де Хюльст және оның әріптестері жариялады, олар M31 галактикасын жаңадан іске қосылған Двинглоу 25 метрлік телескопымен зерттеді. Мартен Шмидт жариялаған қосымша мақаласында бұл айналу қисығын жарықтан да кеңірек тараған, жазық масса таралуымен сәйкес келтіруге болатыны көрсетілді. 1959 жылы Луиза Волдерс сол телескопты пайдаланып, спиральді галактика M33 Кеплер динамикасы бойынша күтілгендей айналмайтынын көрсетті. НГК 3115 галактикасы туралы баяндама жасаған Ян Оорт: «Жүйедегі масса таралуы жарық таралуымен дерлік ешқандай байланысы жоқ сияқты, НГК 3115 галактикасының сыртқы бөліктеріндегі масса мен жарық арақатынасы шамамен 250-ге тең» деп жазды. Журналдық мақаласының 302-303 беттерінде ол: «Күшті шоғырланған жарық жүйесі үлкен және көбінесе біртекті массаға енгендей көрінеді» деп жазды және ол бұл масса өте әлсіз жұлдыздар немесе жұлдызаралық газ және шаң болуы мүмкін деп болжағанмен, ол бұл галактиканың қараңғы галосын анық анықтады. Карнеги телескопы (Карнеги қос астрографы) Галактикалық айналу мәселесін зерттеу үшін жасалған. 1960 жылдардың соңы мен 1970 жылдардың басында Вашингтон қаласындағы Карнеги институтының Жер бетіндегі магнетизм бөліміндегі астроном Вера Рубин спиральді галактикалардың шетіндегі жылдамдық қисығын бұрынғыдан да жоғары дәлдікпен өлшей алатын жаңа сезімтал спектрографпен жұмыс істеді. 1975 жылы Америка астрономиялық қоғамының мәжілісінде әріптесі Кент Фордпен бірге Рубин спиральді галактикалардағы көптеген жұлдыздар шамамен бірдей жылдамдықпен айналатынын және бұл галактикалардың массасы жұлдыздардың көп бөлігі орналасқан жерден (галактикалық бүгілу) тыс радиус бойынша шамамен сызықтық түрде өсетінін жариялады. Рубин өзінің нәтижелерін 1980 жылы жарықтандырған мақаласында ұсынды. Бұл нәтижелер Ньютонның гравитация заңы жалпыға бірдей қолданылмайтынын немесе галактикалардың массасының кемінде 50% салыстырмалы түрде қараңғы галактикалық галода жиналғанын көрсетті. Бастапқыда күмәнмен қабылданған Рубиннің нәтижелері келесі онжылдықтарда расталды. Егер Ньютон механикасы дұрыс деп есептелсе, онда галактика массасының көп бөлігі орталыққа жақын галактикалық бүгілуде болуы керек және дискідегі жұлдыздар мен газ галактикалық орталықтан радиалды қашықтықпен азаятын жылдамдықпен айналуы керек (1-суреттегі пунктирлі сызық). Алайда спиральдардың айналу қисығын бақылау мұны растамайды. Керісінше, қисықтар күтілетін кері квадрат түбір қатынасында азаймайды, бірақ «жатық», яғни орталық бөліктен тыс жылдамдық шамамен тұрақты (1-суреттегі қатты сызық). Сондай-ақ, жарық материясы біркелкі таратылған галактикалардың ортасынан шетіне дейін көтерілетін айналу қисығына ие екендігі байқалады, ал беті әлсіз галактикалардың көпшілігі (LSB галактикалары) бірдей аномальды айналу қисығына ие. Айналу қисықтарын орталық бүгілуден тыс галактиканы жайлаған, орталық бүгілудің масса мен жарық арақатынасында жарық шығармайтын материяның көп мөлшері бар деген гипотезамен түсіндіруге болады. Қосымша массаға жауапты материал қараңғы материя деп аталды, оның бар екендігі алғаш рет 1930 жылдары Ян Оорт Оорт константаларын өлшеуде және Фриц Цвики галактикалар шоғырларының массаларын зерттеуде айтылды. Бариондық емес суық қара материяның (CDM) болуы бүгінгі күні ғаламның космологиясын сипаттайтын Ламбда CDM моделінің маңызды ерекшелігі болып табылады.
In 1932, Jan Hendrik Oort became the first to report that measurements of the stars in the solar neighborhood indicated that they moved faster than expected when a mass distribution based upon visible matter was assumed, but these measurements were later determined to be essentially erroneous. In 1939, Horace Babcock reported in his PhD thesis measurements of the rotation curve for Andromeda which suggested that the mass to luminosity ratio increases radially. He attributed that to either the absorption of light within the galaxy or to modified dynamics in the outer portions of the spiral and not to any form of missing matter. Babcock's measurements turned out to disagree substantially with those found later, and the first measurement of an extended rotation curve in good agreement with modern data was published in 1957 by Henk van de Hulst and collaborators, who studied M31 with the newly commissioned Dwingeloo 25 meter telescope. A companion paper by Maarten Schmidt showed that this rotation curve could be fit by a flattened mass distribution more extensive than the light. In 1959, Louise Volders used the same telescope to demonstrate that the spiral galaxy M33 also does not spin as expected according to Keplerian dynamics. Reporting on NGC 3115, Jan Oort wrote that "the distribution of mass in the system appears to bear almost no relation to that of light one finds the ratio of mass to light in the outer parts of NGC 3115 to be about 250". On page 302–303 of his journal article, he wrote that "The strongly condensed luminous system appears imbedded in a large and more or less homogeneous mass of great density" and although he went on to speculate that this mass may be either extremely faint dwarf stars or interstellar gas and dust, he had clearly detected the dark matter halo of this galaxy. The Carnegie telescope (Carnegie Double Astrograph) was intended to study this problem of Galactic rotation. In the late 1960s and early 1970s, Vera Rubin, an astronomer at the Department of Terrestrial Magnetism at the Carnegie Institution of Washington, worked with a new sensitive spectrograph that could measure the velocity curve of edge on spiral galaxies to a greater degree of accuracy than had ever before been achieved. Together with fellow staff member Kent Ford, Rubin announced at a 1975 meeting of the American Astronomical Society the discovery that most stars in spiral galaxies orbit at roughly the same speed, and that this implied that galaxy masses grow approximately linearly with radius well beyond the location of most of the stars (the galactic bulge). Rubin presented her results in an influential paper in 1980. These results suggested either that Newtonian gravity does not apply universally or that, conservatively, upwards of 50% of the mass of galaxies was contained in the relatively dark galactic halo. Although initially met with skepticism, Rubin's results have been confirmed over the subsequent decades. If Newtonian mechanics is assumed to be correct, it would follow that most of the mass of the galaxy had to be in the galactic bulge near the center and that the stars and gas in the disk portion should orbit the center at decreasing velocities with radial distance from the galactic center (the dashed line in Fig. 1). Observations of the rotation curve of spirals, however, do not bear this out. Rather, the curves do not decrease in the expected inverse square root relationship but are "flat", i. e. outside of the central bulge the speed is nearly a constant (the solid line in Fig. 1). It is also observed that galaxies with a uniform distribution of luminous matter have a rotation curve that rises from the center to the edge, and most low surface brightness galaxies (LSB galaxies) have the same anomalous rotation curve. The rotation curves might be explained by hypothesizing the existence of a substantial amount of matter permeating the galaxy outside of the central bulge that is not emitting light in the mass to light ratio of the central bulge. The material responsible for the extra mass was dubbed dark matter, the existence of which was first posited in the 1930s by Jan Oort in his measurements of the Oort constants and Fritz Zwicky in his studies of the masses of galaxy clusters. The existence of non baryonic cold dark matter (CDM) is today a major feature of the Lambda CDM model that describes the cosmology of the universe.
Қара материяға балама
Ғаламшарлардың айналу мәселесін қараңғы материяны пайдаланбастан, гравитацияны өзгерту арқылы шешуге бірнеше әрекет жасалды. Ең көп талқыланғаны – 1983 жылы Мордехай Милгром ұсынған модификацияланған Ньютон динамикасы (MOND), ол төмен үдеуде Ньютонның күш заңын өзгертіп, тиімді гравитациялық тартымды күшейтеді. MOND төмен беттік жарықтығы бар галактикалардың айналу қисықтарын болжауда, бариондық Тулли-Фишер қатынасына сәйкес келуде және Жергілікті топтың кішкентай серік галактикаларының жылдамдық дисперсиясын анықтауда үлкен жетістіктерге қол жеткізді. Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC) дерекқорынан алынған деректерді пайдаланып, бір топ айналу қисықтарымен көрсетілген радиалды үдеуді байқалған бариондық үлестіруден (яғни жұлдыздар мен газды, бірақ қараңғы материяны емес) ғана болжауға болатынын анықтады. Осыған ұқсас қатынас 153 айналатын галактикадағы 2693 үлгіге, әртүрлі пішіндерге, массаларға, өлшемдерге және газдың үлесіне жақсы сәйкес келді. Жұлдыздардың тығыздық үлесін дұрыс бағалау үшін, қызыл алыптардың тұрақты жарығы басым болатын жақын инфрақызыл сәуледегі жарықтылық пайдаланылды. Нәтижелер MOND-мен сәйкес келеді және қараңғы материяға ғана қатысты баламалы түсіндірмелерге шектеулер қояды. Дегенмен, бариондық кері байланыс әсерлерін қамтитын ΛCDM шеңберінен жасалған космологиялық модельдеулер, жаңа динамиканы (мысалы, MOND) қажетсіз, осы қатынасты қайта жасайды. Осылайша, бариондардың ыдырауынан туындаған кері байланыс әсерлерін ескергеннен кейін, қараңғы материяның үлесін бариондардың үлесінен толық болжауға болады. MOND – релятивистік теория емес, бірақ MOND-ге дейін келетін релятивистік теориялар ұсынылды, мысалы, тензор-вектор-скалярлық гравитация (TeVeS), скаляр-тензор-векторлық гравитация (STVG) және Капоцциелло мен Де Лаурентистің f(R) теориясы. Галактиканың жалпы салыстырмалылық метрикасына негізделген моделі де ұсынылды, ол Сүт Жолы, NGC 3031, NGC 3198 және NGC 7331 галактикаларының айналу қисықтарының көрінетін материяның массалық тығыздық үлестірімімен сәйкес екенін көрсетті, экзотикалық қараңғы материяның үлкен галосына қажеттіліктен аулақтап. Gaia ғарыш кемесінен алынған жаңа деректерді талдау көрсеткендей, Ньютон шамалауын емес, жалпы салыстырмалылықтың барлық теңдеулер жиынтығын қолданса, кем дегенде Сүт Жолының айналу қисығын қараңғы материяны қажетсіз түсіндіруге болады. 2021 жылдың наурызында Герсон Отто Людвиг гравитоэлектромагнетизм арқылы галактикалардың айналу қисықтарын түсіндіретін жалпы салыстырмалылыққа негізделген модельді жариялады.
There have been a number of attempts to solve the problem of galaxy rotation by modifying gravity without invoking dark matter. One of the most discussed is modified Newtonian dynamics (MOND), originally proposed by Mordehai Milgrom in 1983, which modifies the Newtonian force law at low accelerations to enhance the effective gravitational attraction. MOND has had a considerable amount of success in predicting the rotation curves of low surface brightness galaxies, matching the baryonic Tully–Fisher relation, and the velocity dispersions of the small satellite galaxies of the Local Group. Using data from the Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC) database, a group has found that the radial acceleration traced by rotation curves could be predicted just from the observed baryon distribution (that is, including stars and gas but not dark matter). The same relation provided a good fit for 2693 samples in 153 rotating galaxies, with diverse shapes, masses, sizes, and gas fractions. Brightness in the near infrared, where the more stable light from red giants dominates, was used to estimate the density contribution due to stars more consistently. The results are consistent with MOND, and place limits on alternative explanations involving dark matter alone. However, cosmological simulations within a Lambda CDM framework that include baryonic feedback effects reproduce the same relation, without the need to invoke new dynamics (such as MOND). Thus, a contribution due to dark matter itself can be fully predictable from that of the baryons, once the feedback effects due to the dissipative collapse of baryons are taken into account. MOND is not a relativistic theory, although relativistic theories which reduce to MOND have been proposed, such as tensor–vector–scalar gravity (TeVeS), scalar–tensor–vector gravity (STVG), and the f(R) theory of Capozziello and De Laurentis. A model of galaxy based on a general relativity metric was also proposed, showing that the rotation curves for the Milky Way, NGC 3031, NGC 3198 and NGC 7331 are consistent with the mass density distributions of the visible matter, avoiding the need for a massive halo of exotic dark matter. According to recent analysis of the data produced by the Gaia spacecraft, it would seem possible to explain at least the Milky Way's rotation curve without requiring any dark matter if instead of a Newtonian approximation the entire set of equations of general relativity is adopted. In March 2021, Gerson Otto Ludwig published a model based on general relativity that explains galaxy rotation curves with gravitoelectromagnetism.