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星系自转问题

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旋涡星系Messier 33的旋转曲线（黄色和蓝色点，带误差条），以及根据可见物质分布预测的旋转曲线（灰色线）。[1]
左图：没有暗物质的模拟星系。右图 有暗物质的星系，旋转曲线平坦。

星系自转曲线（英语：Galaxy rotation curve）可以绘制成以恒星或气体的轨道速度为y轴，相对于至核心距离为x轴的图表。

恒星围绕星系核心公转的速度在从星系核心开始的一个大范围的距离内是均速。

星系自转问题是被观察到的转动速度，和可观测到的螺旋星系质量，以牛顿动力学预测的星系盘部分的速度之间所造成的矛盾。目前认为这一矛盾现象可以经由暗物质和晕的存在与延伸入星系中而予以解决。

星系/恒星的旋转/轨道速度并不遵循其他轨道系统的规则，例如恒星/行星和行星/月体的大部分质量都在中心。恒星在很大的距离范围内，都是以相等或越来越快的速度绕着它们的星系中心转动。相反地，行星系统中的行星和绕行星运转的卫星的轨道速度会根据开普勒第三定律随着距离的增加而下降。这反映了这些系统内的质量分布。根据星系所发出的光来估计星系的质量是太低了，无法解释速度观测的结果。[2]

星系旋转问题是观测到的星系旋转曲线与理论预测之间的差异，理论预测是假设中心主导的质量与观测到的发光物质相关。当星系的质量剖面是根据螺旋状的恒星分布和恒星盘的质量光比来计算时，它们与观测到的旋转曲线和万有引力定律所得出的质量并不一致。解决这个难题的方法是假设暗物质的存在，并且假设暗物质的分布从星系的中心一直到星系的晕。如此一来，两条曲线之间的差异就可以透过在银河周围加入暗物质晕来解释了。[3]

虽然到目前为止，暗物质是最被接受的旋转问题解释，但其他的建议也有不同程度的成功。在这些可能的替代方案中，最值得注意的是修正牛顿动力学（MOND），它涉及修改万有引力定律。[4]

历史和问题的描述

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典型的螺旋星系自转曲线：预测的（A）和观测的（B）。

在1959年，Louise Volders指出螺旋星系M33的转动没有遵循开普勒定律，[5]到了1970年代，这个结果已扩展至许多其他的螺旋星系。[6]基于这样的模型，在螺旋盘面上的物质（像是恒星和气体）环绕核心旋转的轨道应该与太阳系的行星相似，也就是说，都应该遵循牛顿力学。基于此，可以预期在足够远的距离上环绕星系中心天体的平均轨道速度应该依照质量分布的递减，与轨道距离的平方根成反比（图一中的虚点线）。在发现这种矛盾之时，星系的质量被认为大多集中在星系的核球内，接近星系的核心。

但是，观测的螺旋星系自转曲线，都不能证实此一观点。相反的，曲线没有如预期的随距离的平方根减少，而是"平的"－在中心核球外的速度相对于距离几乎是个常数（图一中的实线）。对这一现象的解是在符合最少调整的宇宙的物理定律下，是有为数可观的质量不仅是远离星系的中心，而且在质量对光度的比率上，发光率也很低。这些额外的质量被天文学家建议归结为在星系晕内的暗物质，早在40多年前弗里茨·兹威基研究星系团时就已经假设这样的物质存在了。如今有大量的观测证据指出冷暗物质的存在，而其存在是宇宙学Lambda-CDM model的主要特色之一。

更进一步的研究

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在说服人们相信暗物质的存在曾是很重要的论述，而目前在星系自转曲线的工作中提供了一些巨大的挑战。在1990年代，对低表面亮度星系（LSB）的星系自转曲线[7]和塔利-费舍尔关系的位置进行了详细的研究[8]显示它们没有预期之外的行为。这些星系的行为也是由令人惊奇且时髦的暗物质掌控。无论如何，这种被暗物质掌控的矮星系或许掌握到了结构形成的矮星系问题。

对暗物质理论进一步的挑战，或者至少是它最普遍的形式－ 冷暗物质（CDM），来自对低表面亮度星系中心的分析。根据CDM的数值模拟，预测被暗物质控制系统的自转曲线，例如这些星系，对实际的自转曲线观测没有显示出如预测的形状。[9]。这是所谓冷暗物质的星系晕尖点问题，是由理论的宇宙学家提出的一个较易处理的问题。

暗物质理论继续支持星系自转曲线的解释，因为暗物质不仅从这些曲线得到证据，它也在大尺度结构形成的模拟中成功的解释星系团中的星系团动力学（一如兹威基最初的提议）。暗物质也正确的预测重力透镜观测的结果。

暗物质的替代方案

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用于解释星系自转曲线的暗物质，可供抉择的数量是有限的。其中一个被讨论的选择是修正牛顿动力学（MOND），起初是在回溯1983年的现象作逻辑性的解释，但后来发现对LSB的自转曲线预测有强大的能力。重力的物理性质会在大尺度上改变的论断，直到现在依然不是相对论中的理论。可是，这改变了现在张量–向量–标量重力（英语：Tensor–vector–scalar gravity）（TeVeS）理论的发展。[10]更成功的选择是Moffat修正的重力理论（MOG），例如标量–张量–向量重力（英语：Scalar–tensor–vector gravity）（STVG）。[11]. Brownstein和Moffat（astro-ph/0506370 （页面存档备份，存于互联网档案馆））应用MOG对星系自转曲线加以质疑，并且已经有超过一百个的低表面亮度星系（LSB）、高表面亮度星系（HSB）和矮星系是吻合的样品。 [12]

基于广义相对论度量建立星系自转模型的尝试，显示银河系 、 NGC 3031 、 NGC 3198和NGC 7331的自转曲线与可见物质的质量密度分布一致[13]，以及其他类似的工作[14]， 一直存在争议。[15] 对于一个由轴对称、静止自转的尘埃组成的系统，在低能极限下，爱因斯坦方程式的解作为星系的玩具模型，表现出非牛顿特征，例如平坦的自转曲线。这些旋转系统是纯相对论对象，因为它们没有牛顿类似物。[16]

根据对盖亚探测器资料的最新分析，如果采用广义相对论的整个方程组而不是牛顿近似 ，那么至少可以解释银河系的自转曲线，而不需要任何暗物质。[17][18]

相关条目

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参考书目

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  • V. Rubin, W. K. Ford, Jr, N. Thonnard. Rotational Properties of 21 Sc Galaxies with a Large Range of Luminosities and Radii from NGC 4605 (R=4kpc) to UGC 2885 (R=122kpc). Astrophysical Journal. 1980, 238: 471. 
    Observations of a set of spiral galaxies gave convincing evidence that orbital velocities of stars in galaxies were unexpectedly high at large distances from the nucleus. This paper was influential in convincing astronomers that most of the matter in the universe is dark, and much of it is clumped about galaxies.

注解

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  1. ^ Corbelli, E.; Salucci, P. The extended rotation curve and the dark matter halo of M33. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2000-01-15, 311 (2): 441–447. Bibcode:2000MNRAS.311..441C. ISSN 0035-8711. arXiv:astro-ph/9909252 可免费查阅. doi:10.1046/j.1365-8711.2000.03075.x 可免费查阅. 
  2. ^ Bosma, A. The Distribution and Kinematics of Neutral Hydrogen in Spiral Galaxies of Various Morphological Types (学位论文). Rijksuniversiteit Groningen. 1978 [December 30, 2016] –通过NASA/IPAC Extragalactic Database. 
  3. ^ Wechsler, Risa H.; Tinker, Jeremy L. The Connection Between Galaxies and Their Dark Matter Halos. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 2018-09-14, 56 (1): 435–487. ISSN 0066-4146. arXiv:1804.03097 可免费查阅. doi:10.1146/annurev-astro-081817-051756 （英语）. 
  4. ^ For an extensive discussion of the data and its fit to MOND see Milgrom, M. The MOND Paradigm. 2007. arXiv:0801.3133 可免费查阅 [astro-ph]. 
  5. ^ L. Volders. Neutral hydrogen in M 33 and M 101. Bulletin of the Astronomical Institutes of the Netherlands: 323–334. 
  6. ^ A. Bosma, "The distribution and kinematics of neutral hydrogen in spiral galaxies of various morphological types", PhD Thesis, Rijksuniversiteit Groningen, 1978, available online at the Nasa Extragalactic Database （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  7. ^ W. J. G. de Blok, S. McGaugh. The dark and visible matter content of low surface brightness disc galaxies. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 1997, 290: 533–552.  available online at the Smithsonian/NASA Astrophysics Data System
  8. ^ M. A. Zwaan, J. M. van der Hulst, W. J. G. de Blok, S. McGaugh. The Tully-Fisher relation for low surface brightness galaxies: implications for galaxy evolution. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 1995, 273: L35–L38.  available online at the Smithsonian/NASA Astrophysics Data System
  9. ^ W. J. G. de Blok, A. Bosma. High-resolution rotation curves of low surface brightness galaxies. Astronomy & Astrophysics. 2002, 385: 816–846.  available online at the Smithsonian/NASA Astrophysics Data System
  10. ^ J. D. Bekenstein. Relativistic gravitation theory for the modified Newtonian dynamics paradigm. Physical Review D. 2004, 70: 083509. 
  11. ^ J. W. Moffat. Scalar tensor vector gravity theory. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2006, 3: 4. 
  12. ^ J. R. Brownstein and J. W. Moffat. Galaxy Rotation Curves Without Non-Baryonic Dark Matter. Astrophysical Journal. 2006, 636: 721.  外部链接存在于|title= (帮助)
  13. ^ Cooperstock, F. I.; Tieu, S. Galactic Dynamics Via General Relativity: A Compilation and New Developments. International Journal of Modern Physics A. 2007-05-20, 22 (13): 2293–2325. Bibcode:2007IJMPA..22.2293C. ISSN 0217-751X. S2CID 155920. arXiv:astro-ph/0610370 可免费查阅. doi:10.1142/S0217751X0703666X （英语）. 
  14. ^ Ludwig, G. O. Galactic rotation curve and dark matter according to gravitomagnetism. The European Physical Journal C. 2021-02-23, 81 (2): 186. Bibcode:2021EPJC...81..186L. doi:10.1140/epjc/s10052-021-08967-3 可免费查阅. 
  15. ^ Lasenby, A N; Hobson, M P; Barker, W E V. Gravitomagnetism and galaxy rotation curves: a cautionary tale. Classical and Quantum Gravity. 2023-10-09, 40 (21): 215014. Bibcode:2023CQGra..40u5014L. ISSN 0264-9381. arXiv:2303.06115 可免费查阅. doi:10.1088/1361-6382/acef8b. 
  16. ^ Astesiano, Davide; Ruggiero, Matteo Luca. Low-energy limit of stationary and axisymmetric solutions in general relativity. Physical Review D. 21 May 2025, 111 (10). arXiv:2412.08598 可免费查阅. doi:10.1103/PhysRevD.111.104066. 
  17. ^ Crosta, Mariateresa; Giammaria, Marco; Lattanzi, Mario G.; Poggio, Eloisa. On testing CDM and geometry-driven Milky Way rotation curve models with Gaia DR2. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (OUP). August 2020, 496 (2): 2107–2122. arXiv:1810.04445 可免费查阅. doi:10.1093/mnras/staa1511 可免费查阅. 
  18. ^ Beordo, William; Crosta, Mariateresa; Lattanzi, Mario G.; Re Fiorentin, Paola; Spagna, Alessandro. Geometry-driven and dark-matter-sustained Milky Way rotation curves with Gaia DR3. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (OUP). April 2024, 529 (4): 4681–4698. doi:10.1093/mnras/stae855 可免费查阅. 
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