Несоответствие между наблюдаемым и теоретическим угловым моментом галактик.

Введение

Наблюдаемое несоответствие в галактических угловых моментах

Кривая вращения дисковой галактики (также называемая кривой скорости) представляет собой график орбитальных скоростей видимых звезд или газа в этой галактике в зависимости от их радиального расстояния от центра галактики. Обычно она отображается графически, и данные, полученные с каждой стороны спиральной галактики, как правило, асимметричны, поэтому данные с обеих сторон усредняются для построения кривой. Существует значительное несоответствие между наблюдаемыми экспериментальными кривыми и кривой, выведенной на основе применения теории гравитации к наблюдаемой материи в галактике. Теории, включающие темную материю, являются основными предлагаемыми решениями для объяснения этого расхождения. Скорости вращения/орбитальные скорости галактик/звезд не соответствуют закономерностям, наблюдаемым в других орбитальных системах, таких как звезды/планеты и планеты/спутники, где большая часть массы сосредоточена в центре. Звезды вращаются вокруг центра своей галактики с постоянной или возрастающей скоростью на больших расстояниях. В отличие от этого, орбитальные скорости планет в планетарных системах и спутников, вращающихся вокруг планет, уменьшаются с расстоянием в соответствии с третьим законом Кеплера. Это отражает распределение массы внутри этих систем. Оценки массы галактик, основанные на испускаемом ими свете, слишком малы, чтобы объяснить наблюдаемые скорости. Проблема вращения галактик заключается в расхождении между наблюдаемыми кривыми вращения галактик и теоретическим предсказанием, основанным на предположении о центрально доминирующей массе, связанной с наблюдаемым светящимся веществом. Когда профили масс галактик рассчитываются на основе распределения звезд в спиральных рукавах и соотношения массы к светимости в звездных дисках, они не совпадают с массами, полученными из наблюдаемых кривых вращения и закона всемирного тяготения. Одним из решений этой проблемы является гипотеза о существовании темной материи и предположение о ее распределении от центра галактики до ее гало. Хотя темная материя является наиболее общепринятым объяснением проблемы вращения, были предложены и другие варианты с разной степенью успеха. Среди возможных альтернатив одной из наиболее заметных является модифицированная ньютоновская динамика (MOND), которая предполагает изменение законов гравитации.

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.

История

В 1932 году Ян Хендрик Оорт первым сообщил, что измерения звезд в окрестностях Солнца показали, что они движутся быстрее, чем ожидалось, исходя из распределения массы, основанного на видимой материи, однако впоследствии эти измерения были признаны в основном ошибочными. В 1939 году Гораций Бэбкок в своей докторской диссертации представил измерения кривой вращения галактики Андромеды, которые указывали на увеличение отношения массы к светимости с ростом расстояния от центра. Он объяснил это либо поглощением света внутри галактики, либо модифицированной динамикой во внешних областях спирали, но не наличием какой-либо формы недостающей материи. Измерения Бэбкока существенно отличались от более поздних, а первое измерение расширенной кривой вращения, хорошо согласующееся с современными данными, было опубликовано в 1957 году Хенком ван де Хюльстом и его коллегами, которые изучали M31 с помощью недавно введенного в эксплуатацию 25-метрового радиотелескопа Двингелоу. В сопроводительной статье Мартена Шмидта было показано, что эта кривая вращения может быть аппроксимирована распределением массы, более протяженным, чем распределение света. В 1959 году Луиза Волдерс, используя тот же телескоп, продемонстрировала, что спиральная галактика M33 также вращается не так, как предсказывается кеплеровской динамикой. В своем отчете о NGC 3115 Ян Оорт писал, что "распределение массы в системе, по-видимому, почти не связано с распределением света", и на страницах 302–303 своей статьи в журнале отметил, что "сильно конденсированная светящаяся система, по-видимому, погружена в большую и более или менее однородную массу большой плотности". Хотя он и предположил, что эта масса может состоять из чрезвычайно тусклых карликовых звезд или межзвездного газа и пыли, он ясно обнаружил темное гало этой галактики. Телескоп Карнеги (Carnegie Double Astrograph) был предназначен для изучения этой проблемы галактического вращения. В конце 1960-х и начале 1970-х годов Вера Рубин, астроном из Департамента земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне, работала с новым чувствительным спектрографом, который позволял измерять кривые скорости спиральных галактик, расположенных "на ребре", с большей точностью, чем когда-либо ранее. Вместе с коллегой Кентом Фордом Рубин на встрече Американского астрономического общества в 1975 году объявила об открытии, что большинство звезд в спиральных галактиках вращаются примерно с одинаковой скоростью, что подразумевает, что массы галактик растут приблизительно линейно с радиусом, далеко за пределами расположения большинства звезд (галактического ядра). Рубин представила свои результаты в влиятельной статье в 1980 году. Эти результаты указывали либо на то, что ньютоновская гравитация не является универсальной, либо, более консервативно, на то, что более 50% массы галактик содержится в относительно темном галактическом гало. Хотя первоначально эти результаты встретили скептицизм, в последующие десятилетия они были подтверждены. Если предположить, что ньютоновская механика верна, то большая часть массы галактики должна быть сосредоточена в галактическом ядре вблизи центра, и звезды и газ в диске должны вращаться вокруг центра с уменьшающимися скоростями по мере увеличения расстояния от центра галактики (пунктирная линия на рис. 1). Однако наблюдения кривых вращения спиральных галактик этого не подтверждают. Скорее, кривые не уменьшаются в соответствии с ожидаемой зависимостью обратного квадратного корня, а являются "плоскими", то есть за пределами центрального ядра скорость почти постоянна (сплошная линия на рис. 1). Также наблюдается, что галактики с однородным распределением светящейся материи имеют кривую вращения, возрастающую от центра к краю, а большинство галактик с низкой поверхностной яркостью (LSB-галактик) демонстрируют ту же аномальную кривую вращения. Кривые вращения можно объяснить, предположив существование значительного количества материи, пронизывающей галактику за пределами центрального ядра, которая не излучает свет в том же соотношении массы к светимости, что и ядро. Материя, ответственная за дополнительную массу, получила название темной материи, существование которой впервые было предположено в 1930-х годах Яном Оортом в его измерениях констант Оорта и Фрицем Цвикки в его исследованиях масс скоплений галактик. Существование небарионной холодной темной материи (CDM) сегодня является ключевой особенностью ΛCDM-модели, описывающей космологию Вселенной.

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.

Альтернативы темной материи

Было предпринято несколько попыток решить проблему вращения галактик путем модификации гравитации без привлечения темной материи. Одной из наиболее обсуждаемых является модифицированная ньютоновская динамика (MOND), первоначально предложенная Мордехаем Милгромом в 1983 году, которая изменяет закон всемирного тяготения Ньютона при низких ускорениях для усиления эффективного гравитационного притяжения. MOND продемонстрировала значительный успех в прогнозировании кривых вращения галактик с низкой поверхностной яркостью, согласуясь с барионным соотношением Тулли-Фишера и дисперсиями скоростей малых спутниковых галактик Местной группы. Используя данные из базы данных Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC), группа исследователей обнаружила, что радиальное ускорение, определяемое кривыми вращения, можно предсказать, исходя только из наблюдаемого распределения барионов (то есть, включая звезды и газ, но не темную материю). То же самое соотношение обеспечило хорошее соответствие для 2693 выборок в 153 вращающихся галактиках с разнообразными формами, массами, размерами и газовыми фракциями. Яркость в ближнем инфракрасном диапазоне, где преобладает более стабильный свет от красных гигантов, использовалась для более последовательной оценки вклада плотности, обусловленного звездами. Результаты согласуются с MOND и накладывают ограничения на альтернативные объяснения, основанные исключительно на темной материи. Однако космологические моделирования в рамках Lambda CDM, включающие эффекты барионной обратной связи, воспроизводят ту же зависимость, без необходимости вводить новую динамику (такую как MOND). Таким образом, вклад, обусловленный самой темной материей, может быть полностью предсказан на основе вклада барионов, при условии учета эффектов обратной связи, вызванных диссипативным коллапсом барионов. MOND не является релятивистской теорией, хотя были предложены релятивистские теории, сводящиеся к MOND, такие как тензорно-векторно-скалярная гравитация (TeVeS), скалярно-тензорно-векторная гравитация (STVG) и теория f(R) Капоцциелло и Де Лаурентиса. Также была предложена модель галактики, основанная на метрике общей теории относительности, показывающая, что кривые вращения Млечного Пути, NGC 3031, NGC 3198 и NGC 7331 соответствуют распределению плотности массы видимой материи, что позволяет избежать необходимости в массивном гало из экзотической темной материи. Согласно недавнему анализу данных, полученных космическим аппаратом Gaia, представляется возможным объяснить по крайней мере кривую вращения Млечного Пути без привлечения темной материи, если вместо ньютоновского приближения использовать весь набор уравнений общей теории относительности. В марте 2021 года Герсон Отто Людвиг опубликовал модель, основанную на общей теории относительности, которая объясняет кривые вращения галактик с помощью гравитоэлектромагнетизма.

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.