Křivka rotace galaxie je funkce, která popisuje kinematické vlastnosti galaxie [1] a představuje závislost orbitální rychlosti hvězd a plynu v galaxii na vzdálenosti od středu galaxie. Kombinace velkého množství pozorovaných dat naznačuje, že rychlost rotace hvězd ve velké vzdálenosti od středu galaxií neklesá, jak se očekávalo v souladu s předpovědí Keplerianovy dynamiky , která bere v úvahu pouze viditelnou hmotu. To je v současné době považováno za důkaz existence halo temné hmoty v galaxiích , i když byla navržena alternativní vysvětlení.
Podle principů Keplerovy dynamiky se hmota (jako jsou hvězdy nebo plyn) v části disku spirálních galaxií musí otáčet kolem středu galaxie podobným způsobem, jakým se planety ve sluneční soustavě točí kolem Slunce, tj. v souladu s newtonovskou mechanikou. Na základě toho by se dalo očekávat, že průměrná orbitální rychlost objektu v určité vzdálenosti od největší distribuce hmoty bude klesat nepřímo s druhou odmocninou poloměru oběžné dráhy (přerušovaná čára na obr. 1). V raném období studia dynamiky spirálních galaxií se věřilo, že většina jejich hmoty by měla být v galaktickém vyboulení blízko středu galaxie.
V roce 1939 Horace Babcock ve své dizertační práci publikoval první vážný důkaz chování rotační křivky, která se radikálně lišila od předpovědí: jeho rotační křivka galaxie v Andromedě neklesala nepřímo s druhou odmocninou, ale byla „šikmá“ - mimo středové vyboulení rychlost prakticky nezávisela na poloměru . O rok později získal podobný výsledek pro galaxii NGC 3115 Jan Oort . V 50. letech 20. století tento obrázek potvrdila přesnější rádiová pozorování galaxií M 31 a M 33 [ 2 ] [ 3 ] . A v 70. letech se tento výsledek rozšířil na mnoho dalších spirálních galaxií – velkou roli sehrála práce Alberta Bosmy [4] , Vera Rubin a Kenta Forda[5] , Ken Freeman [6] a řada dalších specialistů.
Další studie rotačních křivek galaxií s nízkou povrchovou jasností (LSB) v 90. letech 20. století [7] a jejich pozic ve vztahu Tully-Fisher [8] ukázala, že se nechovají tak, jak se očekávalo. Četné numerické simulace založené na „studené temné hmotě“ předpověděly tvar rotačních křivek v centrálních oblastech systémů, kterým dominuje temná hmota, jako jsou tyto galaxie. Pozorování rotačních křivek neukázala předpokládaný tvar [9] . Tento takzvaný " problém cuspy halo" je považován za vážný problém v kosmologii.
Vysvětlení, které vyžaduje nejmenší změnu fyzikálních zákonů vesmíru, je to, že ve velké vzdálenosti od středu galaxie se nachází značné množství hmoty, která je charakterizována vztahem „hmotnost-svítivost“ odlišným od toho, středová boule. Obecně přijímanou hypotézou je, že tato dodatečná hmota v halu je temná hmota , která se projevuje pouze v gravitační interakci . Jeho existence byla předpokládána již od první poloviny 20. století v dílech Jana Oorta , Fritze Zwickyho a dalších vědců. V současné době existuje velké množství dalších pozorovatelných důkazů o existenci temné hmoty a je součástí modelu Lambda-CDM , který popisuje kosmologii vesmíru.
Existuje několik alternativních vysvětlení temné hmoty pro rotační křivky galaxií. Jednou z nejdiskutovanějších alternativ je teorie MoND ( modified Newtonian dynamics ), původně navržená v roce 1983 [10] jako fenomenologické vysvětlení, včetně rotačních křivek galaxií s nízkou povrchovou jasností . Tato teorie tvrdí, že se fyzika gravitace mění ve velkém měřítku. Zpočátku nebyla relativistická, ale následně byla navržena tenzorově-vektorově-skalární teorie gravitace (TeVeS) - relativistický vývoj MoND. Další alternativou je Moffatova teorie modifikované gravitace (MOG), také nazývaná skalární-tensor-vektorová teorie gravitace (STVG) [11] . John Moffat a Joel Bronstein jej použili k vyřešení problému rotačních křivek galaxií a ukázali jeho použitelnost na vzorku více než 100 galaxií s nízkou i vysokou povrchovou jasností a také na trpasličí galaxie a jejich rotační křivky galaxií byly vysvětleny pomocí MOG bez nutnosti zapojení teorie temné hmoty, s použitím pouze dostupných fotometrických dat (hvězdná hmota a viditelný plyn).
Mezitím je klasický model studené temné hmoty nadále přijímaným vysvětlením křivek rotace galaxií, protože důkazy pro temnou hmotu nepocházejí pouze z těchto rotačních křivek, ale také z modelování formování struktury ve velkém měřítku v rozložení galaxií. , pozorování dynamiky skupin a kup galaxií (jak původně tvrdil Fritz Zwicky ). Přítomnost temné hmoty také vysvětluje výsledky pozorování gravitační čočky [12] .