Galaksens rotationskurve er en funktion, der beskriver galaksens kinematiske egenskaber [1] og repræsenterer afhængigheden af kredsløbshastigheden for stjerner og gas i galaksen af afstanden til galaksens centrum. Kombinationen af en stor mængde observerede data indikerer, at stjerners rotationshastighed ikke falder i stor afstand fra galaksernes centrum, som forventet i overensstemmelse med forudsigelserne om Kepler-dynamik , som kun tager højde for den synlige masse. Dette anses i øjeblikket for at være bevis for eksistensen af en mørk stof -halo i galakser , selvom alternative forklaringer er blevet foreslået.
Ifølge principperne for Kepler-dynamik skal stof (såsom stjerner eller gas) i skivedelen af spiralgalakser dreje rundt om galaksens centrum på samme måde som hvordan planeterne i solsystemet drejer rundt om solen, dvs. , i overensstemmelse med newtonsk mekanik. Ud fra dette ville man forvente, at den gennemsnitlige banehastighed for et objekt i en vis afstand fra den største massefordeling ville falde omvendt med kvadratroden af kredsløbsradius (stiplet linje i fig. 1). I den tidlige periode med at studere dynamikken i spiralgalakser, mente man, at det meste af deres masse skulle være i den galaktiske bule , nær galaksens centrum.
I 1939 offentliggjorde Horace Babcock i sin afhandling det første seriøse bevis på rotationskurvens adfærd, som var radikalt forskellig fra forudsigelser: hans rotationskurve for Andromeda -galaksen faldt ikke omvendt med kvadratroden, men var "skrånende" - uden for den centrale bule var hastigheden praktisk talt ikke afhængig af radius. Et år senere blev et lignende resultat for galaksen NGC 3115 opnået af Jan Oort . I 1950'erne blev dette billede bekræftet af mere nøjagtige radioobservationer af galakserne M 31 og M 33 [ 2 ] [3] . Og i 70'erne blev dette resultat udvidet til mange andre spiralgalakser - en stor rolle blev spillet af Albert Bosma [4] , Vera Rubin og Kent Fords arbejde[5] , Ken Freeman [6] og en række andre specialister.
En yderligere undersøgelse af rotationskurverne for galakser med lav overfladelysstyrke (LSB) i 1990'erne [7] og deres positioner i Tully-Fisher-forholdet [8] viste, at de ikke opfører sig forkert som forventet. Talrige numeriske simuleringer baseret på "koldt mørkt stof" har forudsagt formen af rotationskurver i de centrale områder af systemer domineret af mørkt stof, såsom disse galakser. Observationer af rotationskurverne viste ikke den forudsagte form [9] . Dette såkaldte " cuspy halo problem" betragtes som et alvorligt problem i kosmologi.
Den forklaring, der kræver den mindste ændring i universets fysiske love, er, at der i stor afstand fra galaksens centrum er en betydelig mængde stof, som er karakteriseret ved et "masse-lysstyrke"-forhold, der er forskelligt fra det i galaksen. central bule. Den generelt accepterede hypotese er, at denne ekstra masse i haloen er mørkt stof , der kun manifesterer sig i gravitationsinteraktion . Dens eksistens er blevet antaget siden første halvdel af det 20. århundrede i værker af Jan Oort , Fritz Zwicky og andre videnskabsmænd. I øjeblikket er der en stor mængde andre observerbare beviser for eksistensen af mørkt stof, og det er en del af Lambda-CDM- modellen, der beskriver universets kosmologi.
Der er flere alternative forklaringer på mørkt stof for galaksers rotationskurver. Et af de mest diskuterede alternativer er MoND-teorien ( modificeret Newtonsk dynamik ), der oprindeligt blev foreslået i 1983 [10] som en fænomenologisk forklaring, herunder for rotationskurverne for galakser med lav overfladelysstyrke . Denne teori siger, at tyngdekraftens fysik ændrer sig i stor skala. Til at begynde med var det ikke relativistisk, men efterfølgende blev tensor-vektor-skalære teorien om tyngdekraften (TeVeS) foreslået - en relativistisk udvikling af MoND. Et andet alternativ er Moffats teori om modificeret tyngdekraft (MOG), også kaldet skalar-tensor-vektor teori om tyngdekraft (STVG) [11] . John Moffat og Joel Bronstein brugte det til at løse problemet med galakserotationskurver og viste dets anvendelighed på en prøve på mere end 100 galakser med både lav og høj overfladelysstyrke, såvel som dværggalakser, og deres rotationskurver for galakser blev forklaret vha. MOG uden behov for at involvere teorien om mørkt stof, ved kun at bruge tilgængelige fotometriske data (stjernestof og synlig gas).
I mellemtiden fortsætter den klassiske model for koldt mørkt stof med at være den accepterede forklaring på galakse rotationskurver, fordi beviser for mørkt stof ikke kun kommer fra disse rotationskurver, men også fra modellering af dannelsen af en storskala struktur i fordelingen af galakser , observerer dynamikken i grupper og galaksehobe (som oprindeligt hævdede Fritz Zwicky ). Tilstedeværelsen af mørkt stof forklarer også resultaterne af observationen af gravitationslinser [12] .