Galaxrotationskurvan är en funktion som beskriver de kinematiska egenskaperna hos galaxen [1] och representerar beroendet av omloppshastigheten för stjärnor och gas i galaxen av avståndet till galaxens centrum. Kombinationen av en stor mängd observerade data indikerar att stjärnornas rotationshastighet inte minskar på ett stort avstånd från galaxernas centrum, som förväntat i enlighet med förutsägelserna om Kepler-dynamik , som endast tar hänsyn till den synliga massan. Detta anses för närvarande vara bevis för existensen av en mörk materiahalo i galaxer , även om alternativa förklaringar har föreslagits.
Enligt principerna för Kepler-dynamik måste materia (som stjärnor eller gas) i skivdelen av spiralgalaxer kretsa runt galaxens centrum på liknande sätt som hur planeterna i solsystemet kretsar runt solen, dvs. , i enlighet med newtonsk mekanik. Utifrån detta skulle man förvänta sig att den genomsnittliga omloppshastigheten för ett föremål på ett visst avstånd från den största massfördelningen skulle minska omvänt med kvadratroten av omloppsradien (streckad linje i fig. 1). I den tidiga perioden av att studera dynamiken hos spiralgalaxer, trodde man att det mesta av deras massa borde vara i den galaktiska utbuktningen , nära galaxens mitt.
1939 publicerade Horace Babcock i sin avhandling det första allvarliga beviset på rotationskurvans beteende, som skilde sig radikalt från förutsägelser: hans rotationskurva för Andromedagalaxen minskade inte omvänt med kvadratroten, utan var "lutande" - utanför den centrala bulan, var hastigheten praktiskt taget inte beroende av radien. Ett år senare erhölls ett liknande resultat för galaxen NGC 3115 av Jan Oort . På 1950-talet bekräftades denna bild av mer exakta radioobservationer av galaxerna M 31 och M 33 [ 2 ] [3] . Och på 70-talet utökades detta resultat till många andra spiralgalaxer - en stor roll spelades av Albert Bosmas [4] , Vera Rubin och Kent Fords arbete[5] , Ken Freeman [6] och ett antal andra specialister.
En ytterligare studie av rotationskurvorna för galaxer med låg ytljusstyrka (LSB) på 1990 -talet [7] och deras positioner i Tully-Fisher-relationen [8] visade att de inte beter sig som förväntat. Många numeriska simuleringar baserade på "kall mörk materia" har förutspått formen av rotationskurvor i de centrala områdena i system som domineras av mörk materia, såsom dessa galaxer. Observationer av rotationskurvorna visade inte den förutsagda formen [9] . Detta så kallade " cuspy halo problem" anses vara ett allvarligt problem inom kosmologi.
Den förklaring som kräver den minsta förändringen av universums fysiska lagar är att det på ett stort avstånd från galaxens centrum finns en betydande mängd materia, som kännetecknas av ett förhållande mellan "massa och ljusstyrka" som skiljer sig från det för central utbuktning. Den allmänt accepterade hypotesen är att denna extra massa i halo är mörk materia , som endast visar sig i gravitationsinteraktion . Dess existens har antagits sedan första hälften av 1900-talet i verk av Jan Oort , Fritz Zwicky och andra vetenskapsmän. För tillfället finns det en stor mängd andra observerbara bevis för existensen av mörk materia, och det är en del av Lambda-CDM- modellen som beskriver universums kosmologi.
Det finns flera alternativa förklaringar av mörk materia för rotationskurvorna för galaxer. Ett av de mest diskuterade alternativen är MoND-teorin ( modifierad Newtonsk dynamik ), som ursprungligen föreslogs 1983 [10] som en fenomenologisk förklaring, inklusive för rotationskurvorna för galaxer med låg ytljusstyrka . Denna teori säger att gravitationens fysik förändras i stor skala. Till en början var det inte relativistiskt, men därefter föreslogs tensor-vektor-skalära teorin om gravitation (TeVeS) - en relativistisk utveckling av MoND. Ett annat alternativ är Moffats teori om modifierad gravitation (MOG), även kallad skalär-tensor-vektor teori om gravitation (STVG) [11] . John Moffat och Joel Bronstein använde det för att lösa problemet med galaxrotationskurvor och visade dess tillämpbarhet på ett prov av mer än 100 galaxer med både låg och hög ytljusstyrka, såväl som dvärggalaxer, och deras rotationskurvor för galaxer förklarades med hjälp av MOG utan att behöva involvera teorin om mörk materia, med endast tillgängliga fotometriska data (stjärnmateria och synlig gas).
Samtidigt fortsätter den klassiska modellen av kall mörk materia att vara den accepterade förklaringen till galaxrotationskurvor, eftersom bevis för mörk materia inte bara kommer från dessa rotationskurvor, utan också från modellering av bildandet av en storskalig struktur i galaxernas distribution , observerar dynamiken hos grupper och galaxhopar (som ursprungligen hävdade Fritz Zwicky ). Närvaron av mörk materia förklarar också resultaten av observationen av gravitationslinser [12] .