الفلك

شذوذ المجرات الحلزونية والحاجة إلى المادة المظلمة

شذوذ المجرات الحلزونية والحاجة إلى المادة المظلمة


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

من فضلك ، هل يمكن أن يشرح لي البعض ذلك - أنا أفهم أن بعض المجرات تدور بسرعة بحيث لا ينبغي أن تبقى النجوم على المجرى الخارجي داخل اللولب بالنظر إلى المادة المرصودة وما يترتب على ذلك من مجال الجاذبية الذي تشكله. نتيجة لذلك ، نحن نبحث عن مادة مظلمة من شأنها أن تعوض هذا الخلل. لكن سؤالي هو هذا ، كيف نعرف أن الثقب الأسود الموجود في مركز العديد من المجرات لا يوفر وقتًا منحنيًا للجاذبية "إضافيًا" مطلوبًا لتماسك المجرة الحلزونية معًا؟


الثقوب السوداء الهائلة صغيرة جدًا مقارنةً بكتلة المجرة.

نحن نعلم حجم الثقب الأسود ، لأنه يمكننا رؤية النجوم في مركز المجرات التي تدور حوله. لذلك في مجرة ​​حلزونية نموذجية ، يبلغ حجم الثقب الأسود بضعة ملايين من الشمس. لكن المجرة لديها كتلة قليلة تريليون شموس.

يسيطر الثقب الأسود على الجاذبية في العنقود الموجود في مركز المجرة تمامًا ، ولكن من جانبنا ، لا يكاد يذكر.

لا تحتاج إلى استخدام النسبية العامة لهذا الغرض. تكون النسبية مهمة عندما تكون قريبًا من ثقب أسود ، ولكن إذا كنت بعيدًا عن ذلك ، فإن الجاذبية النيوتونية العادية هي تقدير تقريبي ممتاز. تنخفض قوة الجاذبية بالتناسب العكسي مع مربع المسافة ، مما يعني أن شيئًا صغيرًا مثل ثقب أسود فائق الكتلة هو صغير جدًا بحيث لا يكون له أي تأثير على السرعات المدارية لمعظم المجرة.

لنمذجة السرعات المدارية ، يجب أن يكون هناك شيء ما بكتلة تريليونات الشمس ، والتي تحيط بالكامل بقرص المجرة ، والذي يمكن للنجوم أن تمر من خلاله دون احتكاك ويكون غير مرئي تمامًا. العثور على هذا هو تحدي المادة المظلمة.


لا تفكر في الثقوب السوداء على أنها أجسام رائعة تمارس نوعًا من الجاذبية فائقة القوة. إنهم يفعلون ذلك بالفعل ، ولكن فقط في المناطق القريبة من أفق الحدث (أي فقط في أحيائهم المباشرة للغاية). إذا تم استبدال الشمس بثقب أسود من نفس الكتلة ، فإن الأرض ستستمر في الدوران كالمعتاد.

وبنفس الطريقة ، فإن الثقوب السوداء الهائلة في مركز المجرات تعمل ببساطة كجسم هائل من بضعة ملايين من الكتلة الشمسية. تأثيرات الجاذبية لهذا الثقب الأسود الهائل على بقية المجرة تقترب جيدًا من قوانين نيوتن. لغرض مشكلة الطاقة المظلمة ، لا يهم إذا كان الجسم الموجود في مركز المجرات عبارة عن ثقب أسود ، أو نجم ، وما إلى ذلك - فكلها لها نفس التأثير على أطراف المجرة.


فيرا روبين و دارك ماتر

جزء من مجموعة مناهج آفاق كونية.

على الرغم من أن والدها كان يشك في الفرص الوظيفية في علم الفلك ، فقد دعم اهتمامها من خلال مساعدتها في بناء تلسكوبها الخاص والذهاب معها إلى اجتماعات هواة الفلك. حصلت على منحة دراسية في كلية فاسار النسائية المرموقة ، حيث تخرجت في تخصص علم الفلك الوحيد في عام 1948. تقدمت لروبين في مدارس الدراسات العليا ، قيل لها أن "برينستون لا تقبل النساء" في برنامج علم الفلك. (لم يتم التخلي عن هذه السياسة حتى عام 1975.) تقدمت روبن بشجاعة إلى جامعة كورنيل ، حيث درست الفيزياء تحت إشراف فيليب موريسون وريتشارد فاينمان وهانس بيت. ثم التحقت بجامعة جورجتاون حيث حصلت على درجة الدكتوراه. في عام 1954 (تحت قيادة جورج جامو ، الذي كان قريبًا من جامعة جورج واشنطن).

بعد التدريس لبضع سنوات في جامعة جورجتاون ، شغلت منصبًا بحثيًا في معهد كارنيجي بواشنطن ، والتي كان لديها برنامج علم فلك متواضع. ركز عملها على ملاحظات ديناميكيات المجرات. تعاونت مع كينت فورد ، عالم الفلك الذي طور مقياس طيف حساس للغاية.

استخدم روبن وفورد مقياس الطيف لنشر طيف الضوء القادم من النجوم في أجزاء مختلفة من المجرات الحلزونية. تتحرك النجوم الموجودة على قرص المجرة في مدارات دائرية تقريبًا حول المركز. إذا كان القرص يميل إلى خط بصرنا ، فإن النجوم على جانب واحد تقترب منا بينما تبتعد تلك الموجودة على الجانب الآخر. عندما يتحرك مصدر الضوء نحونا ، نرى انخفاضًا في الأطوال الموجية للضوء (تحول نحو النهاية الزرقاء للطيف) ، وعندما يتحرك المصدر بعيدًا ، نرى زيادة في الأطوال الموجية (تحول نحو نهاية حمراء). يسمى هذا بتأثير دوبلر ، ويتناسب إزاحة الطول الموجي مع سرعة مصدر الضوء بالنسبة إلى الراصد. أجرى روبن وفورد قياسات دقيقة لتحولات دوبلر عبر أقراص العديد من المجرات. يمكنهم بعد ذلك حساب السرعات المدارية للنجوم في أجزاء مختلفة من تلك المجرات.

نظرًا لأن المنطقة الأساسية لمجرة حلزونية بها أعلى تركيز للنجوم المرئية ، افترض علماء الفلك أن معظم كتلة المجرة وبالتالي جاذبيتها ستتركز أيضًا في مركزها. في هذه الحالة ، كلما كان النجم بعيدًا عن المركز ، كانت سرعته المدارية المتوقعة أبطأ. وبالمثل ، في نظامنا الشمسي ، تتحرك الكواكب الخارجية حول الشمس بشكل أبطأ من الكواكب الداخلية. من خلال ملاحظة كيف تعتمد السرعة المدارية للنجوم على المسافة التي تفصلها عن مركز المجرة ، يمكن لعلماء الفلك ، من حيث المبدأ ، حساب كيفية توزيع الكتلة في جميع أنحاء المجرة.

عندما بدأ روبن وفورد في إجراء ملاحظات دوبلر للسرعة المدارية في المجرات الحلزونية ، اكتشفوا على الفور شيئًا غير متوقع تمامًا. كانت النجوم البعيدة عن مراكز المجرات ، في المناطق الخارجية ذات الكثافة السكانية المنخفضة ، تتحرك بنفس سرعة تلك الأقرب منها. كان هذا غريبًا ، لأن الكتلة المرئية للمجرة ليس لديها جاذبية كافية لإبقاء مثل هذه النجوم سريعة الحركة في المدار . يتبع ذلك أنه كان لابد من وجود كمية هائلة من المادة غير المرئية في المناطق الخارجية من المجرات حيث تكون النجوم المرئية قليلة نسبيًا. ذهب روبن وفورد لدراسة حوالي ستين مجرة ​​حلزونية ووجدوا نفس الشيء دائمًا. وخلص روبن إلى أن "ما تراه في مجرة ​​حلزونية ليس ما تحصل عليه".

أظهرت حساباتها أن المجرات يجب أن تحتوي على حوالي عشرة أضعاف كتلة "الظلام" التي يمكن أن تفسرها النجوم المرئية. باختصار ، ما لا يقل عن تسعين بالمائة من الكتلة في المجرات ، وبالتالي في الكون المرئي ، غير مرئية وغير محددة. ثم تذكرت روبن شيئًا تعلمته عندما كانت طالبة دراسات عليا حول دليل سابق على وجود كتلة غير مرئية في الكون. في عام 1933 ، قام فريتز زويكي بتحليل سرعات دوبلر لمجرات كاملة داخل مجموعة الغيبوبة. وجد أن المجرات الفردية داخل العنقود تتحرك بسرعة كبيرة بحيث يمكنها الهروب إذا كان العنقود متماسكًا فقط عن طريق جاذبية كتلته المرئية. بما أن العنقود لا يظهر أي علامات للتحليق ، فإنه يجب أن يحتوي على غلبة من "المادة المظلمة" - حوالي عشر مرات أكثر من المادة المرئية - لربطها ببعضها البعض. كان استنتاج زويكي صحيحًا ، لكن زملائه كانوا متشككين. أدركت روبن أنها اكتشفت أدلة دامغة على مادة زويكي المظلمة. معظم كتلة الكون مخفية بالفعل عن نظرنا.

كان العديد من علماء الفلك مترددين في البداية في قبول هذا الاستنتاج. لكن الملاحظات كانت واضحة للغاية وكان التفسير واضحًا جدًا لدرجة أنهم سرعان ما أدركوا أن روبن يجب أن يكون على حق. النجوم المضيئة ليست سوى أدوات التتبع المرئية لكتلة أكبر بكثير تشكل مجرة. تحتل النجوم فقط المناطق الداخلية من "هالة" كروية هائلة من المادة المظلمة غير المرئية والتي تشكل معظم كتلة المجرة. ربما توجد تراكمات كبيرة من المادة المظلمة في المساحات الشاسعة بين المجرات ، دون أي نجوم مرئية لتتبع وجودها. ولكن إذا كان الأمر كذلك ، فسيكون من الصعب جدًا مراقبتها.

وما هي هذه "المادة المظلمة" التي لم يتم ملاحظتها حتى الآن إلا بتأثير جاذبيتها على النجوم؟ السؤال هو أحد الألغاز الرئيسية التي لم يتم حلها في علم الفلك اليوم. يبذل العديد من علماء الفلك النظريين والرصديين جهودًا جادة لمحاولة الإجابة عن هذا السؤال.

تواصل فيرا روبين استكشاف المجرات. في عام 1992 ، اكتشفت مجرة ​​(NGC 4550) يدور فيها نصف نجوم القرص في اتجاه واحد ونصف في الاتجاه المعاكس ، مع تداخل النظامين معًا! ربما نتج هذا عن اندماج مجرتين تدوران في اتجاهين متعاكسين. ومنذ ذلك الحين ، وجد روبن عدة حالات أخرى لسلوك غريب مماثل. في الآونة الأخيرة ، وجدت هي وزملاؤها أن نصف المجرات في عنقود العذراء الكبير تظهر عليها علامات الاضطرابات بسبب مواجهات الجاذبية القريبة مع المجرات الأخرى.

تقديراً لإنجازاتها ، تم انتخاب فيرا روبين في الأكاديمية الوطنية للعلوم وفي عام 1993 حصلت على الميدالية الوطنية للعلوم. لكن طوال حياتها المهنية ، لم تسعى روبن للحصول على مكانة أو إشادة. بدلاً من ذلك ، كان هدفها هو الرضا الشخصي للاكتشاف العلمي. كتبت: "لقد أطلنا عالمًا جديدًا ، ورأينا أنه أكثر غموضًا وتعقيدًا مما كنا نتخيله. لا يزال هناك المزيد من أسرار الكون مخفية. اكتشافهم ينتظر علماء المستقبل المغامرين. أنا أحب ذلك بهذه الطريقة ".

هذا مقتطف من الأفق الكوني: علم الفلك عند حافة القطع، تم تحريره بواسطة ستيفن سوتر ونيل دي جراس تايسون ، منشور للصحافة الجديدة. © 2000 المتحف الأمريكي للتاريخ الطبيعي.


أقدم مجرة ​​حلزونية شوهدت على الإطلاق: اكتشاف صادم

تلسكوب هابل الفضائي. قال علماء الفلك يوم الأربعاء إنهم عثروا على مجرة ​​حلزونية مذهلة ولدت منذ ما يقرب من 11 مليار سنة ، وهو اكتشاف يمكن أن يحفز إعادة التفكير في كيفية تشكل المجرات بعد الانفجار العظيم.

(Phys.org) - شهد علماء الفلك لأول مرة مجرة ​​حلزونية في بدايات الكون ، قبل مليارات السنين من تشكل العديد من المجرات الحلزونية الأخرى. في النتائج التي تم الإبلاغ عنها في 19 يوليو في المجلة طبيعة، قال علماء الفلك إنهم اكتشفوا ذلك أثناء استخدام تلسكوب هابل الفضائي لالتقاط صور لحوالي 300 مجرة ​​بعيدة جدًا في الكون المبكر ودراسة خصائصها. تتم ملاحظة هذه المجرة الحلزونية البعيدة لأنها كانت موجودة بعد حوالي ثلاثة مليارات سنة من الانفجار العظيم ، والضوء من هذا الجزء من الكون يسافر إلى الأرض منذ حوالي 10.7 مليار سنة.

قالت أليس شابلي ، أستاذة الفيزياء وعلم الفلك بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ، والمؤلفة المشاركة في الدراسة: "عندما تعود بالزمن إلى الوراء إلى الكون المبكر ، تبدو المجرات غريبة حقًا ، ومتكتلة وغير منتظمة ، وليست متماثلة". "الغالبية العظمى من المجرات القديمة تشبه حطام القطار. كان أول ما فكرنا فيه هو ، لماذا هذه المجرات مختلفة جدًا وجميلة جدًا؟"

تنقسم المجرات في عالم اليوم إلى أنواع مختلفة ، بما في ذلك المجرات الحلزونية مثل مجرتنا درب التبانة ، والتي هي عبارة عن أقراص دوارة من النجوم والغاز تتشكل فيها نجوم جديدة ، والمجرات الإهليلجية ، والتي تشمل نجومًا أقدم وأكثر احمرارًا تتحرك في اتجاهات عشوائية. قال شابلي إن مزيج هياكل المجرات في بدايات الكون مختلف تمامًا ، مع تنوع أكبر بكثير وجزء أكبر من المجرات غير المنتظمة.

قال ديفيد لو ، المؤلف الرئيسي للدراسة وزميل ما بعد الدكتوراه في معهد دنلاب في معهد دنلاب للفلك والفيزياء الفلكية بجامعة تورنتو: "حقيقة وجود هذه المجرة أمر مذهل". "تقول الحكمة الحالية أن المجرات الحلزونية" ذات التصميم الكبير "لم تكن موجودة في مثل هذا الوقت المبكر من تاريخ الكون." تتمتع المجرة "ذات التصميم الكبير" بأذرع لولبية بارزة جيدة التكوين.

المجرة ، التي تحمل اسم BX442 غير الفاتن ، كبيرة جدًا مقارنة بالمجرات الأخرى من هذا الوقت المبكر في الكون ، فقط حوالي 30 من المجرات التي حللها لو وشابلي ضخمة مثل هذه المجرة.

HST / Keck صورة مركبة بألوان زائفة للمجرة BX442. الائتمان: معهد ديفيد لو دنلاب لعلم الفلك والفيزياء الفلكية

لاكتساب نظرة أعمق على صورتهم الفريدة لـ BX442 ، ذهب Law و Shapley إلى W.M. Keck على قمة بركان Mauna Kea الخامل في هاواي واستخدم أداة فريدة من نوعها من العلم تسمى مطياف OSIRIS ، والتي بناها جيمس لاركين ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس. لقد درسوا الأطياف من حوالي 3600 موقع في وحول BX442 ، والتي قدمت معلومات قيمة مكنتهم من تحديد أنها في الواقع مجرة ​​حلزونية دوارة & # 151 وليس ، على سبيل المثال ، مجرتان تصطفتا في الصورة.

قال شابلي: "اعتقدنا في البداية أن هذا يمكن أن يكون مجرد وهم ، وربما ضللنا الصورة". "ما وجدناه عندما التقطنا الصورة الطيفية لهذه المجرة هو أن الأذرع الحلزونية تنتمي إلى هذه المجرة. لم يكن ذلك وهمًا. لقد انفجرنا." يرى لو وشابلي أيضًا بعض الأدلة على وجود ثقب أسود هائل في مركز المجرة ، والذي قد يلعب دورًا في تطور BX442.

لماذا تبدو BX442 مثل المجرات الشائعة جدًا اليوم ولكنها كانت نادرة جدًا في ذلك الوقت؟

يعتقد لو وشابلي أن الإجابة قد تكون مرتبطة بمجرة قزمة مصاحبة ، والتي يكشفها مطياف أوزيريس على أنها نقطة في الجزء الأيسر العلوي من الصورة ، والتفاعل الثقالي بينهما. يتم توفير الدعم لهذه الفكرة من خلال محاكاة عددية أجرتها شارلوت كريستنسن ، باحثة ما بعد الدكتوراه في جامعة أريزونا ومؤلفة مشاركة في البحث في الطبيعة. وقال شابلي إنه في النهاية من المرجح أن تندمج المجرة الصغيرة في BX442.

وقالت: "تبدو BX442 وكأنها مجرة ​​قريبة ، ولكن في بدايات الكون ، كانت المجرات تصطدم ببعضها البعض بشكل متكرر". "كان الغاز يمطر من الوسط بين المجرات والنجوم المغذية التي كانت تتشكل بمعدل أسرع بكثير مما هي عليه اليوم ، نمت الثقوب السوداء بمعدل أسرع بكثير أيضًا. الكون اليوم ممل مقارنة بهذا الوقت المبكر."

سيواصل لو ، وهو زميل سابق في مرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ، وشابلي دراسة BX442.

قال شابلي: "نريد التقاط صور لهذه المجرة بأطوال موجية أخرى". "سيخبرنا ذلك عن نوع النجوم الموجودة في كل موقع في المجرة. نريد رسم خريطة لمزيج النجوم والغاز في BX442."

قال شابلي إن BX442 يمثل رابطًا بين المجرات المبكرة الأكثر اضطرابًا والمجرات الحلزونية الدوارة التي نراها حولنا. وقالت: "في الواقع ، قد تسلط هذه المجرة الضوء على أهمية تفاعلات الاندماج في أي حقبة كونية في إنشاء هيكل حلزوني كبير التصميم".

قال شابلي إن دراسة BX442 من المرجح أن تساعد علماء الفلك على فهم كيفية تشكل المجرات الحلزونية مثل مجرة ​​درب التبانة.


يقول علماء الفلك إن المجرات القزمة تحتاج إلى مادة مظلمة أيضًا

وجد علماء الفلك في جامعة ميشيغان أن النجوم في المجرات الكروية القزمية تتصرف بطريقة تشير إلى أن المجرات تهيمن عليها تمامًا المادة المظلمة.

قام أستاذ علم الفلك ماريو ماتيو والباحث ماثيو ووكر بقياس سرعة 6،804 نجوم في سبع مجرات قزمة تابعة لمجرة درب التبانة: كارينا ، دراكو ، فورناكس ، ليو الأول ، ليو الثاني ، سكلبتور وسيكستانس. ووجدوا أنه ، على عكس ما يتوقعه قانون الجاذبية لنيوتن ، لا تتحرك النجوم في هذه المجرات أبطأ كلما ابتعدوا عن قلب مجرتهم.

قال ماتيو: "تظهر هذه المجرات مشكلة مباشرة من المركز". "السرعة لا تقل. إنها تبقى كما هي ، وهذا أمر غريب."

يعرف علماء الفلك بالفعل أن النجوم في المجرات الحلزونية تتصرف بطريقة مماثلة. يزيد هذا البحث بشكل كبير من المعلومات المتاحة عن المجرات الأصغر ، مما يجعل من الممكن تأكيد أن توزيع الضوء والنجوم فيها يختلف عن توزيع الكتلة.

"لقد ضاعفنا كمية البيانات المتعلقة بهذه المجرات إلى أكثر من الضعف ، وهذا يسمح لنا بدراستها بطريقة غير مسبوقة. يُظهر بحثنا أن المجرات القزمة تهيمن عليها تمامًا المادة المظلمة ، طالما أن الجاذبية النيوتونية تصف هذه المجرات بشكل كافٍ. قال ووكر. حصل ووكر على درجة الدكتوراه من UM في وقت سابق من هذا العام ويشغل حاليًا منصب ما بعد الدكتوراه في جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة.

المادة المظلمة هي مادة لم يلاحظها علماء الفلك بشكل مباشر ، لكنهم يستنتجون أنها موجودة لأنهم اكتشفوا آثارها الجاذبية على المادة المرئية. بناءً على هذه القياسات ، فإن النظرية السائدة في علم الفلك وعلم الكونيات هي أن الأجزاء المرئية من الكون تشكل جزءًا صغيرًا فقط من إجمالي مادته وطاقته.

قال ماتيو إن كوكب نبتون كان في يوم من الأيام "مادة مظلمة". قبل صياغة المصطلح ، توقع علماء الفلك وجوده بناءً على حالة شاذة في مدار أورانوس المجاور لنبتون. كانوا يعرفون فقط أين يبحثون عن نبتون.

على مدار ربع القرن الماضي ، كان علماء الفلك يبحثون عن نبتون في الكون ، إذا جاز التعبير. يمكن أن تتخذ المادة المظلمة شكل النجوم والكواكب القزمة ، أو الجسيمات الأولية بما في ذلك النيوترينوات ، أو الجسيمات الافتراضية التي لم يتم اكتشافها بعد والتي لا تتفاعل مع الضوء المرئي أو أجزاء أخرى من الطيف الكهرومغناطيسي.

يعتقد أن المادة المظلمة تربط المجرات ببعضها البعض. لا تعتبر قوة الجاذبية للمادة المرئية قوية بما يكفي لمنع النجوم من الهروب. توجد نظريات أخرى لشرح هذه التناقضات. على سبيل المثال ، يقترح ماتيو ديناميكيات نيوتن المعدلة أن قوى الجاذبية تصبح أقوى عندما تكون التسارع ضعيفة للغاية. بينما تتوافق نتائجهم مع نماذج المادة المظلمة الحالية ، يقول ماتيو ووكر إنهما يدعمان أيضًا هذا التفسير الأقل شيوعًا.

تابع ماتيو: "هذه المجرات القزمية ليست بالكثير للنظر إليها ، لكنها قد تغير حقًا وجهات نظرنا الأساسية حول طبيعة المادة المظلمة ، وربما الجاذبية".

سيقدم والكر ورقة حول هذه النتائج في 30 أكتوبر في اجتماع ماجلان للعلوم في كامبريدج ، ماساتشوستس.الورقة التي سيقدمها هي ملفات تعريف تشتت السرعة للمجرات الكروية السبعة الأقزام. تم نشره في عدد 20 سبتمبر من مجلة Astrophysical Journal Letters.

مصدر القصة:

المواد المقدمة من جامعة ميشيغان. ملاحظة: يمكن تعديل المحتوى حسب النمط والطول.


شذوذ المجرات الحلزونية والحاجة إلى المادة المظلمة - علم الفلك

درب التبانة هو الاسم الذي يطلق على مجرتنا. بالنسبة لمراقب خارجي ، ستظهر على شكل مجرة ​​حلزونية ، حيث تقع الشمس على بعد حوالي ثلثي الطريق بعيدًا عن المركز (مسافة 8.5 كيلو باسكال ، أو 25000 سنة ضوئية) في قرص المجرة.

نحن نعلم الآن أن درب التبانة تتكون من ثلاثة مكونات: (أ) قرص دوار مسطح به أذرع لولبية، (ب) هالة كروية ، (ج) "انتفاخ" مجري يمثل تركيز النجوم باتجاه مركز المجرة. تختلف المواد في هذه المكونات الثلاثة المختلفة - القرص ، الهالة ، الانتفاخ - في الخصائص الحركية (كيفية تحركها) ، والعمر والتركيب الكيميائي (المعدنية) ، مما يشير إلى أن لها تاريخًا مختلفًا في التكوين. كما أنها تمثل مجموعات نجمية مختلفة. تمامًا كما في حالة تكوين النظام الشمسي ، تمثل هذه المكونات تاريخ تكوين مجرة ​​درب التبانة. سنبدأ في دراسة بنية مجرتنا درب التبانة من خلال فحص النجوم في مجموعات أو مجموعات النجوم وموقعهم في المجرة. سنحتاج أيضًا إلى طريقة لتقدير المسافات إلى هذه الأجسام - نحتاج إلى استكشاف المسافات التي تتجاوز متناول قياسات اختلاف المنظر النجمي.

العناقيد الكروية والمجموعات المفتوحة

متغيرات Cepheid ومتغيرات RR Lyrae

سكان نجمي

تحتفظ مكونات مجرة ​​درب التبانة بسجل لتاريخ تكوين مجرتنا ، والذي نعتقد أنه حدث في انهيار كروي أدى إلى ظهور قرص دوار مسطح. السكان تتحرك النجوم (في القرص المسطح) في نفس الاتجاه في مدارات دائرية ولها وفرة عالية من العناصر الثقيلة. السكان II النجوم (في الهالة الكروية) لها مدارات عشوائية تملأ توزيعًا كرويًا ووفرة منخفضة من العناصر الثقيلة. يرتبط التركيب الكيميائي والتوزيع المكاني وحركات كل مجموعة سكانية من النجوم لأنها تعكس سن من النجوم وتسلسل تشكيل القرص, انتفاخ، و هالة من مجرتنا كمادة انهارت من كرة إلى قرص دوار. تشكلت نجوم الهالة والعناقيد الكروية أولاً ، من الغاز الذي كان فقيرًا في العناصر الثقيلة ، في توزيع كروي. استمر الغاز المتبقي في الانهيار باتجاه المركز ، مستويًا قرصًا ، تمامًا مثل النجم المتشكل. تشكل الانتفاخ بعد ذلك ، كمكون يدور ببطء مع شكل مسطح (بيضاوي الشكل). أخيرًا ، تشكل القرص من توزيع غاز دوار مسطح. لا تزال النجوم تتشكل في القرص ، مع مواقع نشطة في الأذرع الحلزونية ، في مناطق من الغبار والغاز تم إثرائها كيميائيًا بواسطة الأجيال اللاحقة من النجوم. تفتقر نجوم الهالة إلى الغاز لتكوين أجيال جديدة من النجوم ، وبقيت فقيرة بالمعادن. يمكننا تحديد تسلسل الأعمار من مجموعة نجمية قديمة (II) في الهالة ، إلى مجموعة متوسطة في الانتفاخ ، إلى مجموعة نجمية شابة (I) في القرص ، مع وجود مناطق تشكل النجوم الأصغر سنًا في الحلزون أسلحة.

منحنيات الدوران - كتلة مجرة ​​درب التبانة

النجوم الموجودة في قرص مجرتنا والتي تقع على مسافات مختلفة عن مركز مجرتنا تدور بسرعات مختلفة. هذه الخاصية تسمى الدوران التفاضلي ويعني أن الوقت المطلوب لنجم بالقرب من مركز مجرتنا للدوران مرة واحدة حول المركز سيكون أقصر بكثير من الوقت الذي يستغرقه نجم بالقرب من حافة المجرة لإكمال دورة واحدة - الأجزاء الداخلية والخارجية من للقرص فترات مختلفة لا يتم تدويرها كجسم صلب مثل السجل الموجود على القرص الدوار للفونوغراف. تتحرك شمسنا بسرعة حوالي 220 كم / ثانية حول المركز لمدة "سنة" مجرية (أو فترة دوران) تبلغ حوالي 240 مليون سنة تقابل مدارًا واحدًا. بمعرفة فترة وحجم مدار الشمس حول مركز المجرة ، يمكننا استخدام قانون نيوتن للجاذبية لتحديد كتلة درب التبانة الداخلية لمدار الشمس. هذا هو حول 10 11 كتل شمسية. يبلغ متوسط ​​كتلة النجم في هذا الحجم نصف كتلة الشمس تقريبًا 200 مليار نجمة. ومع ذلك ، هذا لا يشمل المواد التي تقع بعيدًا عن المركز من الشمس. تظهر منحنيات الدوران للمجرة خارج موقع الشمس نتيجة مفاجئة - السرعات لا تنخفض كما نتوقع إذا وصلنا إلى نهاية كتلة المجرة. (على سبيل المثال ، في حالة الشمس ، على مسافات أكبر ، ينخفض ​​جاذبيتها على مدارات الكواكب ، وتنخفض السرعات المدارية للكواكب البعيدة بشكل حاد وفقًا لقانون كبلر الثالث). حقيقة أن سرعات الدوران تظل عالية في الأجزاء الخارجية من المجرات ، مع منحنيات مسطحة أو حتى مرتفعة ، يعني أنه يجب أن يكون هناك كتلة في الأجزاء الخارجية من المجرات أكبر بكثير مما قد نقدره من المادة المرئية. نسمي هذا المادة المظلمة ونقدر الكتلة الكلية لدرب التبانة ، بما في ذلك "الهالة المظلمة" 10 - 12 كتلة شمسية. هذه "الهالة المظلمة" أكبر بنحو 10 مرات من الهالة المرئية للمجرة (تتبعها العناقيد الكروية ونجوم المجموعة الثانية). المادة المظلمة سوف تلعب دورًا مهمًا في تحديد مصير الكون ، وسنرى دليلًا على وجود مادة مظلمة أثناء دراستنا للمجرات في مجموعات.

هيكل حلزوني

تقع أصغر مناطق تكون النجوم (أقصى عدد من السكان 1) في الأذرع الحلزونية للقرص ، وسط النجوم O و B المضيئة والغبار وغاز الهيدروجين. إذا كانت هذه الأذرع الحلزونية عبارة عن هياكل مادية ، فعندئذٍ بسبب الدوران التفاضلي نتوقع أن يتم "إنهاء" بعض هذه الأذرع الحلزونية مثل السباغيتي الملفوفة على شوكة. ومع ذلك ، يبدو أن المجرات الحلزونية هي هياكل شائعة ومستقرة. نعتقد أن هذه المناطق من الأذرع الحلزونية كذلك موجات الكثافة، أو "الاختناقات المرورية" المحلية. يبدو أن الازدحام المروري طويل الأمد ، على الرغم من أن السيارات الفردية (أو النجوم) في هذه المنطقة الكثيفة تتغير بمرور الوقت. تخلق ظروف الكثافة العالية أيضًا موجة انضغاطية تبدأ في انهيار الجاذبية وتشكيل النجوم.

نواة مجرتنا

يحجب الغبار والغاز مركز مجرتنا. بسبب انقراض الغبار ، من الأفضل دراسة هذه المنطقة ، مثل مناطق النجوم الناشئة ، عند أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء. من الحركات السريعة للنجوم في المناطق الكثيفة من النواة نستنتج وجود كتلة كبيرة (حوالي 3 × 10 6 كتلة شمسية) داخل حجم صغير جدًا. نعتقد أن هذا هائل ثقب أسود. هذه كمية صغيرة من الكتلة مقارنة بكتلة المجرة (10 12 كتلة شمسية) ، ووجود مثل هذا الثقب الأسود لا يلزم أن يكون له تأثير كبير على مجرته المضيفة. ومع ذلك ، إذا ابتلعت الثقوب السوداء في نوى المجرة كميات كافية من الغاز والنجوم من المناطق المحيطة بها ، فيمكن أن تصبح "نشطة" وتطلق كميات كبيرة من الطاقة. يمكن للإشعاع من هذه "النواة المجرية النشطة" (AGN) أن يتفوق على بقية المجرة وأن يكون أكثر سطوعًا 1000 مرة من مجرة ​​نموذجية في هذه النواة الشبيهة بالنجوم. تسمى هذه الأشياء النجوم الزائفة وتكون مرئية لمسافات كبيرة جدًا. نواة مجرتنا ليست نشطة ، لكن حقيقة أننا نستطيع اكتشاف الثقوب السوداء في مجرات مثل مجرتنا ، وجارتنا ، أندروميدا ، تشير إلى أن الثقوب السوداء الهائلة النشيطة من المحتمل أن تحدث في بعض المجرات.

المجرات الخارجية

تأتي المجرات العادية في مجموعة متنوعة من "أنواع هابل" ، والتي تتكون من خلائط مختلفة من المجموعات النجمية. المجرات الحلزونية، مثل مجرة ​​درب التبانة ، لديها أقراص وأذرع لولبية ومجموعات كروية (بما في ذلك الانتفاخ) - مزيج من السكان الأول والثاني ، مع وجود غاز في الأذرع الحلزونية والقرص. يتم تصنيفها وفقًا لظهور الأذرع الحلزونية والأهمية النسبية لمكون القرص مقارنة بالانتفاخ ، مع وجود أذرع لولبية بارزة بشكل متزايد (من حلزونات Sa إلى حلزونات Sc). المجرات البيضاوية لديهم أساسًا سكان كروي فقط ، وليس لديهم أقراص أو أذرع لولبية. يوجد القليل جدًا من الغاز في المجرة الإهليلجية ، لذلك لا يوجد تكوين نجمي مستمر. يتم تصنيفها من خلال تسطيح الشكل البيضاوي. وسيط بين هؤلاء مجرات S0، والتي لها انتفاخ وقرص ، ولكن ليس بها أذرع لولبية ، مما يشير إلى وجود مجموعة قرصية قديمة ولكن لا يوجد تكوين نجمي مستمر. مجرات غير منتظمة غنية جدًا بالغاز ، أكثر من الحلزونات العادية ، ويمكن أن تظهر تشكّل نجميًا مكثفًا ، لكن لا توجد أذرع حلزونية منتظمة. إنها غنية جدًا بالغاز ، أكثر من اللولب العادي. تصنف هذه المجرات حسب مظهرها إلى a مخطط شوكة ضبط هابل سلسلة من المجرات الإهليلجية ، مجرات S0 خالية نسبيًا من الغبار ، وفرعين من المجرات الحلزونية (مع وبدون قضبان مركزية) التي تشكل ذراعي شوكة رنانة. هذا التسلسل ، من الأشكال الإهليلجية إلى S0s ، إلى الحلزونات وغير المنتظمة ، هو أيضًا سلسلة من بروز الغاز والغبار ومجموعات تشكل النجوم الشابة. يمكننا أيضًا اعتبار هذا كسلسلة في الخليط النسبي السكان II و السكان الكائنات ، مع البيضاوي المصنوع في الغالب من السكان II النجوم ، وخالية من الغبار ، إلى خليط حلزوني من كلا المجموعتين ، إلى غير النظامية التي هي في الغالب السكان. هذا ليس تسلسلًا تطوريًا ، ولكنه إطار منظم لفهم خصائص المجرات ومجموعاتها. من المحتمل أن تنشأ أنواع مختلفة من مجرات هابل من الاختلافات في الظروف التي تتشكل فيها المجرات ، مثل الكثافة أو الزخم الزاوي للسحابة الأولية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن بيئة المجرات - سواء كانت موجودة في مجموعات كثيفة ، أو مجموعات صغيرة ، أو كائنات منفردة - واحتمال الاصطدام مع المجرات المجاورة يمكن أن يؤثر على تطورها.

المسافات إلى المجرات

أقرب مجرة ​​رئيسية ، أندروميدا (M31) ، تبعد حوالي 700 كيلو بت (أو 2 مليون سنة ضوئية) ، أو حوالي 30 ضعف الحجم النموذجي لمجرة درب التبانة. عندما ننظر إلى المجرات البعيدة ، فإننا ننظر إلى الماضي بمقدار يسمى وقت النظر إلى الوراءتساوي المسافة بينهما بالسنوات الضوئية. يمكن استخدام متغيرات Cepheid لقياس المسافات إلى المجرات القريبة. على المقاييس الأكبر ، نتحدث عن مسافات ميغا فرسك (مليون قطعة = مليون جهاز كمبيوتر) - وليس فقط كيلوبارسك (كيلو بايت = 1000 جهاز كمبيوتر).

قانون هابل

من أهم القوانين في علم الفلك ، هذه العلاقة بين السرعة التي تبتعد بها المجرة عنا وبين بعدها تستفيد من تأثير دوبلر (انزياح أحمر)، وهو قياس بسيط نسبيًا. من الدراسات التي أجريت على المجرات التي كانت مسافاتها معروفة ، وجد هابل أنه كلما كانت المجرة بعيدة ، كانت أسرع في الابتعاد عنا. لذا فإن السرعة = ثابت هابل (H0) مضروبًا في المسافة ، حيث السرعة = سرعة الضوء × الانزياح الأحمر (عند الانزياح الأحمر المنخفض). كميات المراقبة هي المسافة والانزياح الأحمر. ثابت هابل هو ثابت التناسب في علاقة هابل. تبلغ القيمة الحالية لثابت هابل حوالي 75 كم / ثانية / Mpc. نستخدم هذا القانون الآن لتحديد المسافة إلى مجرة ​​بقياس انزياحها نحو الأحمر وضربها في ثابت هابل.

المادة المظلمة

مسلحين بالمسافات ، يمكننا دراسة حركات وتوزيع المجرات في مجموعات وعناقيد. بالإضافة إلى القياس منحنيات الدوران من المجرات الأخرى لإظهار أن لديها هالات مظلمة ، يمكننا قياس الحركات العشوائية للمجرات في مجموعات كبيرة ، لقياس كمية الكتلة التي يجب أن تجمع هذه المجرات معًا. تُظهر هذه القياسات أن الكتلة أكبر من 10 إلى عدة 100 مرة مما كنا نعتقد ، إذا استنتجنا الكتلة على أساس ضوء النجوم ، بافتراض أن هذا نشأ من نجوم مشابهة لشمسنا. الطريقة الثانية للتحقق من هذه التقديرات الجماعية هي القياس عدسة الجاذبية - انحناء ضوء الخلفية الذي يمر بالقرب من الأجسام الضخمة (مثل العناقيد). يأتي الدليل الإضافي على وجود هالات المادة المظلمة في التجمعات من الغازات المنبعثة من الأشعة السينية ذات درجة الحرارة العالية جدًا والتي تُرى في التجمعات.

الانفجار الكبير"

هل يشير قانون هابل إلى أننا مركز الكون؟ لم يحدث ذلك. نحن نفسر هذا الركود على أنه توسع في الفضاء بحد ذاته ، مثلما تنحسر النقاط المرسومة على سطح البالون المتوسع عن بعضها البعض ، ومع ذلك لا توجد نقطة واحدة هي "مركز" التوسع. إذا كنت تتخيل عكس تدفق هابل ، توصلت إلى استنتاج مفاده أن كل المادة في الكون (في المجرات) يجب أن تكون قد تراكمت فوق نفسها منذ حوالي 14 مليار سنة. إنه هذا الحدث الفريد في الكون الذي نسميه الانفجار العظيم ، وفكرة أن الكون بدأ في التوسع من انفجار هائل منذ حوالي 14 مليار سنة.

باستخدام نفس فكرة عكس تدفق هابل ، يمكننا أن نرى أن الوقت الذي يعود إلى الانفجار العظيم يعتمد على مدى سرعة انحسار المجرات عن بعضها البعض --- بعبارة أخرى ، على ثابت هابل. في الواقع ، يُعطى عمر الكون (زمن العودة إلى الانفجار العظيم) من خلال معكوس ثابت هابل ، 1 / ​​H0, على افتراض أن الكون لم يتسارع أو يتباطأ منذ ذلك الحين. هذه الحقيقة الأخيرة من غير المحتمل أن تكون صحيحة (الجاذبية ستعارض التمدد) ، وهكذا 1 / H0 هو فقط تقريبا عمر الكون. هذا هو أحد الأسباب التي تجعلنا نرغب في معرفة القيمة الدقيقة لثابت هابل. له0 = 70 كم / ثانية / مليون قطعة ، 1 / ​​ساعة0 = 14 جير (مليار سنة).

بالإضافة الى توسيع قانون هابل للكون ، ما الدليل الآخر على صحة نظرية الانفجار العظيم؟ The theory predicts that when the Universe was very small there was an initial hot `fireball' Another corroborating fact for this model is that we have detected the leftover radiation from the time when the Universe was indeed very hot. This is the cosmic microwave background radiation. This was discovered by accident in the early 1960s, but had been predicted to be there. We think it is the relic radiation from when the Universe was hot, that has since expanded with the Universe, shifting to longer and longer wavelengths. It was predicted to be thermal (black body) radiation and this has just recently been measured by the COBE (Cosmic Microwave Background Explorer) satellite. The wavelength of the peak of the black body curve gives a temperature (from Wien's law) of 2.7 Kelvin --- pretty near absolute zero now, but evidence of a much hotter past. The microwave background radiation is seen in all directions of the sky, as we would predict.

Finally, the third major piece of evidence for the Big Bang is that it would solve a puzzle in the nature of cosmic abundances of the light elements (the heavy elements are made in massive stars), namely that the universal abundance of helium is seen to be about 24 percent everywhere. This is a puzzle because ordinary hydrogen burning in main-sequence stars, though it produces helium, doesn't produce nearly enough only about 10 percent of hydrogen is converted to helium. The way round this is to assume that most of the helium got made in the big bang (during the first 3 minutes) when the whole universe was hot enough to fuse hydrogen.

Cosmology and the Critical Density

The Universe is expanding, but gravity is tending to slow it down. Will it expand forever? This depends on whether the mean density of the Universe exceeds a critical value of 4 x 10 -30 gm/cm 3 . If the average density is higher than this the Universe will collapse on itself (closed Universe). If it is smaller than this it will expand forever (open Universe). This is one of the reasons why the possibility of having substantial amounts of mass in the form of dark matter is of such interest -- it affects our census of whether we reach the critical mass.

Large-Scale Structure

Big bang theory explains conditions in the early universe, but does not explain how galaxies formed for that we need other physics. All the structures we see now, galaxies, clusters, superclusters, giant filaments and voids, grew, we think, by gravity acting on the original small ripples we see in the cosmic microwave background. The key factor in this is the dark matter. It forms into clumps of various sizes under the influence of gravity, and the small percentage of luminous matter falls into these clumps and eventually makes all the things we see now. These gravitational encounters are being explored by computer models, such as the movie clips of the growth of web-like structures that we saw in class. The favored models show little things forming first and merging into ever bigger structures -- generating galaxies and clusters.


Sceptical response

“If this paper is correct, then this galaxy contains very little or no dark matter,” says astrophysicist Jürg Diemand of the University of California, Santa Cruz, US, who is not a member of the team. “That is surprising.”

Diemand says numerous other techniques – including studies of how galaxies move inside clusters and measurements of the big bang’s afterglow – all show evidence for dark matter.

So could the new analysis be faulty? “One really needs excellent data to pull this off,” says Stacy McGaugh of the University of Maryland in College Park, US, an expert in galaxy formation and evolution. “I’m afraid my grumpy first impression is that I just don’t buy it.”


X-Ray Signal from Andromeda, Other Galaxies Could Be Evidence of Dark Matter

European scientists have detected a mysterious photon emission in X-ray spectra of the Andromeda galaxy, the Draco dwarf galaxy and some other galaxies and galactic clusters that could be the first evidence of the long-sought dark matter particles.

This Hubble composite image shows a ring of dark matter in the galaxy cluster ZwCl0024+1652 the ring-like structure is evident in the blue map of the cluster’s dark matter distribution the map is superimposed on a Hubble image of the cluster. Image credit: NASA / ESA / M.J. Jee and H. Ford, Johns Hopkins University.

First proposed by the Swiss astronomer Fritz Zwicky in the 1930s, dark matter is a mysterious substance that cannot be seen, but shows itself by its gravitational attraction for the material around it.

This extra ingredient in the cosmos was originally suggested to explain why the outer parts of galaxies, including our own Milky Way, rotated so quickly, but dark matter now also forms an essential component of theories of how galaxies formed and evolved.

Today it is widely accepted that this dark component constitutes about the 80 percent of the mass in the Universe, despite the fact that it has resisted all attempts to clarify its nature, which remains obscure. All attempts so far to detect dark matter in labs on Earth have failed.

Two teams of scientists have recently announced the detection of a strange signal in X-ray spectra of nearby galaxies.

One of the teams, led by Dr Alexey Boyarsky of Leiden University in the Netherlands, found this signal by analyzing X-rays emitted by the Draco dwarf galaxy, the Perseus galaxy cluster and the Andromeda galaxy (M31).

“After having collected thousands of signals from the ESA’s XMM-Newton telescope and eliminated all those coming from known particles and atoms, we detected an anomaly that caught our attention,”

The signal appears in the X-ray spectrum as an atypical photon emission that could not be attributed to any known form of matter.

“Above all, the signal’s distribution corresponds exactly to what we were expecting with dark matter, that is, concentrated and intense in the center of objects and weaker and diffuse on the edges,” said team member Dr Oleg Ruchayskiy from the Ecole Polytechnique Federale de Lausanne in Switzerland.

“With the goal of verifying our findings, we then looked at data from our own galaxy, the Milky Way, and made the same observations,” Dr Boyarsky added.

The signal comes from a very rare event in the Universe: a photon emitted due to the destruction of a hypothetical particle, possibly a ‘sterile neutrino.’

Sterile neutrinos are a highly attractive candidate for the dark matter particle, because they only call for a minor extension of the already known standard model of elementary particles.

“If the discovery is confirmed, it will open up new avenues of research in particle physics. Apart from that, it could usher in a new era in astronomy,” Dr Ruchayskiy said.

“Confirmation of this discovery may lead to construction of new telescopes specially designed for studying the signals from dark matter particles. We will know where to look in order to trace dark structures in space and will be able to reconstruct how the Universe has formed,” Dr Boyarsky said.

A new, separate paper on the subject will be published next week in the journal Physical Review Letters.

Alexey Boyarsky وآخرون. 2014. An unidentified line in X-ray spectra of the Andromeda galaxy and Perseus galaxy cluster. arXiv: 1402.4119

Mark R. Lovell وآخرون. 2014. Decaying dark matter: the case for a deep X-ray observation of Draco. MNRAS, to be submitted arXiv: 1411.0311

Alexey Boyarsky وآخرون. 2014. Checking the dark matter origin of 3.53


Dwarf galaxies need dark matter too, U-M astronomers say

ANN ARBOR, Mich.---Stars in dwarf spheroidal galaxies behave in a way that suggests the galaxies are utterly dominated by dark matter, University of Michigan astronomers have found.

Astronomy professor Mario Mateo and post-doctoral researcher Matthew Walker measured the velocity of 6,804 stars in seven dwarf satellite galaxies of the Milky Way: Carina, Draco, Fornax, Leo I, Leo II, Sculptor and Sextans. They found that, contrary to what Newton's law of gravity predicts, stars in these galaxies do not move slower the farther they are from their galaxy's core.

"These galaxies show a problem right from the center," Mateo said. "The velocity doesn't get smaller. It just stays the same, which is eerie."

Astronomers already know stars in spiral galaxies behave in a similar way. This research dramatically increases the available information about smaller galaxies, making it possible to confirm that the distribution of light and stars in them is not the same as the distribution of mass.

"We have more than doubled the amount of data having to do with these galaxies, and that allows us to study them in an unprecedented manner. Our research shows that dwarf galaxies are utterly dominated by dark matter, so long as Newtonian gravity adequately describes these systems," Walker said. Walker received his doctorate from U-M earlier this year and currently has a post-doctoral position at the University of Cambridge in the United Kingdom.

Dark matter is a substance astronomers have not directly observed, but they deduce it exists because they detect its gravitational effects on visible matter. Based on these measurements, the prevailing theory in astronomy and cosmology is that the visible parts of the universe make up only a fraction of its total matter and energy.

The planet Neptune was once "dark matter," Mateo said. Before the term was even coined, astronomers predicted its existence based on an anomaly in the orbit of Neptune's neighbor Uranus. They knew just where to look for Neptune.

For the past quarter century, astronomers have been looking for the Neptune of the universe, so to speak. Dark matter could take the form of dwarf stars and planets, elementary particles including neutrinos, or hypothetical and as-yet undetected particles that don't interact with visible light or other parts of the electromagnetic spectrum.

Dark matter is believed to hold galaxies together. The gravitational force of the visible matter is not considered strong enough to prevent stars from escaping. Other theories exist to explain these discrepancies, though. For example, Modified Newtonian Dynamics, Mateo said, proposes that gravitational forces become stronger when accelerations are very weak. While their results align with current dark matter models, Mateo and Walker say they also bolster this less-popular explanation.

"These dwarf galaxies are not much to look at," Mateo continued, "but they may really alter our fundamental views on the nature of dark matter and, perhaps, even gravity."

Walker will present a paper on these findings on Oct. 30 at the Magellan Science Meeting in Cambridge, Mass. The paper he will present is Velocity Dispersion Profiles of Seven Dwarf Spheroidal Galaxies. It was published in the Sept. 20 edition of Astrophysical Journal Letters.

تنصل: AAAS و EurekAlert! ليست مسؤولة عن دقة النشرات الإخبارية المرسلة إلى EurekAlert! من خلال المؤسسات المساهمة أو لاستخدام أي معلومات من خلال نظام EurekAlert.


What is Dark Energy?

Some forms of Dark Energy that are being discussed currently:

  • Vacuum energy component whose density is constant over cosmic history
  • Akin to Einstein's Cosmological Constant, but motivated by quantum Mechanics, not by a (mistaken) desire to stabilize the Universe against expansion or contraction.
  • Vacuum energy component whose density can change over cosmic history
  • Candidates include scalar fields, quintessence, and stranger ideas.

In rotating galaxies, distribution of normal matter precisely determines gravitational acceleration

In the late 1970s, astronomers Vera Rubin and Albert Bosma independently found that spiral galaxies rotate at a nearly constant speed: the velocity of stars and gas inside a galaxy does not decrease with radius, as one would expect from Newton’s laws and the distribution of visible matter, but remains approximately constant. Such ‘flat rotation curves’ are generally attributed to invisible, dark matter surrounding galaxies and providing additional gravitational attraction.

Now a team led by Case Western Reserve University researchers has found a significant new relationship in spiral and irregular galaxies: the acceleration observed in rotation curves tightly correlates with the gravitational acceleration expected from the visible mass only.

“If you measure the distribution of star light, you know the rotation curve, and vice versa,” said Stacy McGaugh, chair of the Department of Astronomy at Case Western Reserve and lead author of the research.

The finding is consistent among 153 spiral and irregular galaxies, ranging from giant to dwarf, those with massive central bulges or none at all. It is also consistent among those galaxies comprised of mostly stars or mostly gas.

In a paper accepted for publication by the journal Physical Review Letters and posted on the preprint website arXiv, McGaugh and co-authors Federico Lelli, an astronomy postdoctoral scholar at Case Western Reserve, and James M. Schombert, astronomy professor at the University of Oregon, argue that the relation they’ve found is tantamount to a new natural law.

An astrophysicist who reviewed the study said the findings may lead to a new understanding of internal dynamics of galaxies.

“Galaxy rotation curves have traditionally been explained via an ad hoc hypothesis: that galaxies are surrounded by dark matter,” said David Merritt, professor of physics and astronomy at the Rochester Institute of Technology, who was not involved in the research. “The relation discovered by McGaugh et al. is a serious, and possibly fatal, challenge to this hypothesis, since it shows that rotation curves are precisely determined by the distribution of the normal matter alone. Nothing in the standard cosmological model predicts this, and it is almost impossible to imagine how that model could be modified to explain it, without discarding the dark matter hypothesis completely.”

McGaugh and Schombert have been working on this research for a decade and with Lelli the last three years. Near-infrared images collected by NASA’s Spitzer Space Telescope during the last five years allowed them to establish the relation and that it persists for all 153 galaxies.

The key is that near-infrared light emitted by stars is far more reliable than optical-light for converting light to mass, Lelli said.

The researchers plotted the radial acceleration observed in rotation curves published by a host of astronomers over the last 30 years against the acceleration predicted from the observed distribution of ordinary matter now in the Spitzer Photometry & Accurate Rotation Curves database McGaugh’s team created. The two measurements showed a single, extremely tight correlation, even when dark matter is supposed to dominate the gravity.

“There is no intrinsic scatter, which is how far the data differ on average from the mean when plotted on a graph,” McGaugh said. “What little scatter is found is consistent with stellar mass-to-light ratios that vary a little from galaxy to galaxy.”

Lelli compared the relation to a long-used natural law. “It’s like Kepler’s third law for the solar system: if you measure the distance of each planet from the sun, you get the orbital period, or vice versa” he said. “Here we have something similar for galaxies, with about 3,000 data points.”

“In our case, we find a relation between what you see in normal matter in galaxies and what you get in their gravity,” McGaugh said. “This is important because it is telling us something fundamental about how galaxies work.”

Arthur Kosowsky, professor of physics and astronomy at the University of Pittsburgh, was not involved but reviewed the research.

“The standard model of cosmology is remarkably successful at explaining just about everything we observe in the universe,” Kosowsky said. “But if there is a single observation which keeps me awake at night worrying that we might have something essentially wrong, this is it.”

He said McGaugh and collaborators have steadily refined the spiral galaxy scaling relation for years and called this latest work a significant advance, reducing uncertainty in the mass in normal matter by exploiting infrared observations.

“The result is a scaling relation in the data with no adjustable parameters,” Kosowky said. “Throughout the history of physics, unexplained regularities in data have often pointed the way towards new discoveries.”

McGaugh and his team are not pressing any theoretical interpretation of their empirical relation at this point.

“The natural inference is that this law stems from a universal force such as a modification of gravity like MOND, the hypothesis of Modified Newtonian Dynamics proposed by Israeli physicist Moti Milgrom. But it could also be something in the nature of dark matter like the superfluid dark matter proposed by Justin Khoury,” McGaugh said. “Most importantly, whatever theory you want to build has to reproduce this.”


شاهد الفيديو: ألثقب ألاسود (قد 2022).