منحنى دوران المجرة

منحنى دوران المجرة القرصية ( ويُسمى أيضًا منحنى السرعة ) هو رسم بياني يوضح السرعات المدارية للنجوم المرئية أو الغاز في تلك المجرة مقابل المسافة الشعاعية بينها وبين مركزها. يُعرض عادةً بيانيًا ، وتكون البيانات المرصودة من كل جانب من جوانب المجرة الحلزونية غير متناظرة عمومًا، لذا يُؤخذ متوسط ​​البيانات من كل جانب لرسم المنحنى. تختلف المنحنيات التجريبية المرصودة اختلافًا كبيرًا عن نظرية الجاذبية المطبقة على المادة المرصودة في المجرة. تُعد النظريات التي تتضمن المادة المظلمة غير القابلة للرصد التفسير الرئيسي المُفترض لهذا التباين. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

بالنظر إلى توزيع كتلها ، لا يُتوقع أن تتبع سرعات دوران/مدارات المجرات/النجوم قوانين مثل قانون كبلر الثالث المطبق على الأنظمة المدارية الأصغر حجمًا كالنجوم/الكواكب والكواكب/الأقمار التي تتركز معظم كتلتها في المركز. تدور النجوم حول مركز مجرتها بسرعة متساوية أو متزايدة على مدى مسافات واسعة. مع ذلك، حتى مع الأخذ في الاعتبار هذا، فإن تقديرات كتلة المجرات بناءً على الضوء المنبعث منها أقل بكثير من أن تفسر ملاحظات السرعة. ^{[ 5 ]}

على الرغم من أن المادة المظلمة هي التفسير الأكثر قبولاً لمشكلة الدوران، فقد تم اقتراح نظريات أخرى . ومن أبرزها الديناميكا النيوتونية المعدلة (MOND)، والتي تتضمن قوانين بديلة للجاذبية. ^{[ 6 ]}

أجرى فيستو سليفر أولى القياسات المتعلقة بمنحنيات دوران المجرات عام 1914 أثناء رصده لمجرة أندروميدا. ^{[ 7 ]} لاحظ سليفر أن النجوم على الجانب الأيسر من انتفاخ المجرة كانت تقترب بسرعة تقارب 320  كم/ث، أي أسرع من تلك الموجودة على الجانب الأيمن التي كانت تتحرك بسرعة تقارب 280  كم/ث. يشير هذا إلى أن قرص المجرة كان يدور بطريقة تجعله يبدو وكأنه يدور باتجاهنا. ^{[ 8 ] [ 7 ]}

في عام 1918، حدد فرانسيس بيس سرعة الدوران داخل المنطقة المركزية لمجرة أندروميدا. ^{[ 7 ]} وقد تم تمثيل نتائجه بالصيغة التالية:${\displaystyle \displaystyle V_{c}=-0.48r-316}$، أين${\displaystyle V_{c}}$هي السرعة الدائرية المقاسة (بالكيلومتر/ثانية) عند مسافة${\displaystyle r}$من مركز انتفاخ مجرة ​​أندروميدا. أشارت النتائج إلى أن الجزء المركزي من المجرة يدور بسرعة زاوية ثابتة. ^{[ 7 ]}

في عام 1932، كان يان هندريك أورت أول من أبلغ عن أن قياسات النجوم في الجوار الشمسي تشير إلى أنها تتحرك أسرع من المتوقع عند افتراض توزيع كتلي قائم على المادة المرئية، ولكن تبين لاحقًا أن هذه القياسات خاطئة بشكل أساسي. ^{[ 9 ]} في عام 1939، نشر هوراس بابكوك في أطروحته للدكتوراه قياسات لمنحنى دوران مجرة ​​أندروميدا، والتي أشارت إلى أن نسبة الكتلة إلى اللمعان تزداد شعاعيًا. ^{[ 10 ]} وعزا ذلك إما إلى امتصاص الضوء داخل المجرة أو إلى ديناميكيات متغيرة في الأجزاء الخارجية من المجرة الحلزونية، وليس إلى أي شكل من أشكال المادة المفقودة. تبين أن قياسات بابكوك تتعارض بشكل كبير مع تلك التي تم التوصل إليها لاحقًا، ونُشر أول قياس لمنحنى دوران ممتد يتوافق بشكل جيد مع البيانات الحديثة في عام 1957 بواسطة هينك فان دي هولست وزملاؤه، الذين درسوا مجرة ​​أندروميدا (M31) باستخدام التلسكوب الراديوي الجديد الذي يبلغ قطره 25 مترًا في مرصد دوينجيلو الراديوي . ^{[ 11 ]} أظهرت ورقة بحثية مصاحبة لماارتن شميدت أن منحنى الدوران هذا يمكن تمثيله بتوزيع كتلة مسطح أوسع من نطاق الضوء. ^{[ 12 ]} في عام 1959، استخدمت لويز فولدرز التلسكوب نفسه لإثبات أن المجرة الحلزونية M33 لا تدور أيضًا كما هو متوقع وفقًا لديناميكيات كبلر . ^{[ 13 ]}

كتب يان أورت ، في تقريره عن المجرة NGC 3115 ، أن "توزيع الكتلة في النظام لا يبدو أنه يرتبط تقريبًا بتوزيع الضوء... إذ تبلغ نسبة الكتلة إلى الضوء في الأجزاء الخارجية من NGC 3115 حوالي 250". ^{[ 14 ]} وفي الصفحتين 302-303 من مقالته المنشورة في المجلة، كتب أن "النظام المضيء شديد التكثف يبدو أنه مغمور في كتلة كبيرة ومتجانسة إلى حد ما ذات كثافة عالية"، وعلى الرغم من أنه تكهن بأن هذه الكتلة قد تكون إما نجومًا قزمة خافتة للغاية أو غازًا وغبارًا بين النجوم، فقد رصد بوضوح هالة المادة المظلمة لهذه المجرة.

كان الهدف من تلسكوب كارنيجي (مرصد كارنيجي الفلكي المزدوج) هو دراسة مشكلة دوران المجرة. ^{[ 25 ]}

أجرى أورت أيضًا أبحاثًا حول الحركة داخل مجرة ​​درب التبانة ، وحاول تحديد ما يُعرف بثوابت أورت ، لكنه لم يتوصل إلى قيم دقيقة للغاية. وبفضل التلسكوبات الفضائية مثل هيباركوس وجايا ، أصبح من الممكن دراسة دوران مجرة ​​درب التبانة بدقة أكبر بكثير.

في أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات، عملت فيرا روبين ، عالمة الفلك في قسم المغناطيسية الأرضية بمؤسسة كارنيجي في واشنطن ، على مطياف جديد حساس قادر على قياس منحنى سرعة المجرات الحلزونية التي تُرى من جانبها بدقة لم يسبق لها مثيل. ^{[ 26 ]} وأعلنت روبين، بالتعاون مع زميلها كينت فورد ، في اجتماع الجمعية الفلكية الأمريكية عام 1975 ، عن اكتشاف أن معظم النجوم في المجرات الحلزونية تدور بنفس السرعة تقريبًا، ^{[ 27 ]} وأن هذا يعني أن كتل المجرات تنمو خطيًا تقريبًا مع نصف القطر إلى ما هو أبعد بكثير من موقع معظم النجوم ( انتفاخ المجرة ). قدمت روبين نتائجها في ورقة بحثية مؤثرة عام 1980. ^{[ 28 ]} أشارت هذه النتائج إما إلى أن جاذبية نيوتن لا تنطبق عالميًا، أو أن ما يزيد عن 50% من كتلة المجرات، على أقل تقدير، موجودة في هالة المجرة المظلمة نسبيًا. ورغم أن نتائج روبين قوبلت في البداية بالتشكيك، فقد تم تأكيدها على مدى العقود اللاحقة. ^{[ 29 ]}

إذا افترضنا أن الميكانيكا النيوتونية صحيحة، فسيترتب على ذلك أن معظم كتلة المجرة يجب أن تكون في انتفاخ المجرة بالقرب من المركز وأن النجوم والغاز في جزء القرص يجب أن تدور حول المركز بسرعات متناقصة مع المسافة الشعاعية من مركز المجرة (الخط المتقطع في الشكل 1).

مع ذلك، لا تؤكد ملاحظات منحنى دوران المجرات الحلزونية هذا الأمر. بل على العكس، لا تتناقص المنحنيات وفقًا لعلاقة الجذر التربيعي العكسي المتوقعة، بل تكون "مسطحة"، أي أن السرعة خارج الانتفاخ المركزي تكاد تكون ثابتة (الخط المتصل في الشكل 1). كما لوحظ أن المجرات ذات التوزيع المنتظم للمادة المضيئة لها منحنى دوران يرتفع من المركز إلى الحافة، وأن معظم المجرات ذات السطوع السطحي المنخفض (مجرات LSB) لها نفس منحنى الدوران الشاذ.

يمكن تفسير منحنيات الدوران بافتراض وجود كمية كبيرة من المادة تتخلل المجرة خارج انتفاخها المركزي، ولا تُصدر ضوءًا بنسبة كتلة إلى ضوء الانتفاخ المركزي. وقد أُطلق على المادة المسؤولة عن هذه الكتلة الإضافية اسم المادة المظلمة ، والتي طُرح وجودها لأول مرة في ثلاثينيات القرن العشرين من قِبل يان أورت في قياساته لثوابت أورت ، وفريتز زويكي في دراساته لكتل ​​عناقيد المجرات .

بينما كانت منحنيات دوران المجرات المرصودة من أوائل المؤشرات على أن بعض الكتلة في الكون قد لا تكون مرئية، فإن العديد من الأدلة المختلفة تدعم الآن مفهوم المادة المظلمة الباردة باعتبارها الشكل السائد للمادة في الكون. من بين هذه الأدلة: نسب الكتلة إلى الضوء المنخفضة جدًا في غياب مكون المادة المظلمة، وكمية الغاز الساخن المكتشفة في التجمعات المجرية بواسطة علم الفلك بالأشعة السينية ، وقياسات كتلة التجمعات باستخدام تأثير سونيايف-زيلدوفيتش وعدسات الجاذبية . ^{[ 30 ] : 368.} تعتمد نماذج تكوين المجرات على هالات المادة المظلمة الخاصة بها. ^{[ 31 ]} يُعد وجود المادة المظلمة الباردة غير الباريونية (CDM) اليوم سمة رئيسية لنموذج لامدا-CDM الذي يصف علم الكونيات ويتوافق مع الملاحظات الفيزيائية الفلكية عالية الدقة . ^{[ 32 ] : 25.1.1}

تُوصَف ديناميكيات دوران المجرات بدقة من خلال موقعها على مخطط تولي-فيشر ، الذي يُبيّن أن سرعة دوران المجرات الحلزونية ترتبط ارتباطًا وثيقًا بضوئها الكلي. وتتمثل إحدى الطرق المُثلى للتنبؤ بسرعة دوران مجرة ​​حلزونية في قياس ضوئها الكلي ، ثم استنتاج معدل دورانها من موقعها على مخطط تولي-فيشر. وبالمقابل، فإن معرفة سرعة دوران مجرة ​​حلزونية تُعطينا قيمة ضوئها. وبالتالي، فإن مقدار دوران المجرة يرتبط بكتلتها المرئية. ^{[ 34 ]}

على الرغم من أن عملية مطابقة كثافة الانتفاخ والقرص والهالة بدقة عملية معقدة نوعًا ما، إلا أنه من السهل نمذجة خصائص المجرات الدوارة المرصودة من خلال هذه العلاقة. ^{[ 35 ]} لذا، فبينما يمكن مطابقة أحدث عمليات المحاكاة الكونية ومحاكاة تكوين المجرات للمادة المظلمة مع تضمين المادة الباريونية العادية مع رصد المجرات، لا يوجد حتى الآن تفسير واضح لسبب وجود علاقة القياس المرصودة. ^{[ 36 ] [ 37 ]} بالإضافة إلى ذلك، أظهرت دراسات تفصيلية لمنحنيات دوران المجرات منخفضة السطوع السطحي (مجرات LSB) في التسعينيات ^{[ 38 ]} وموقعها على علاقة تولي-فيشر ^{[ 39 ]} أن مجرات LSB يجب أن تمتلك هالات من المادة المظلمة أكثر امتدادًا وأقل كثافة من تلك الموجودة في المجرات ذات السطوع السطحي العالي، وبالتالي يرتبط السطوع السطحي بخصائص الهالة. قد تحمل هذه المجرات القزمة التي تهيمن عليها المادة المظلمة مفتاح حل مشكلة تكوين بنية المجرات القزمة .

أظهر تحليل الأجزاء الداخلية للمجرات ذات السطوع السطحي المنخفض والعالي أن شكل منحنيات الدوران في مركز الأنظمة التي يهيمن عليها المادة المظلمة يشير إلى نمط مختلف عن نمط نافارو-فرينك-وايت لتوزيع الكتلة المكانية، والذي تم إنشاؤه من خلال عمليات مطابقة عددية لأنماط نماذج هالات المادة المظلمة. ^{[ 40 ] [ 41 ]} تُعدّ هذه المشكلة، المعروفة باسم مشكلة الهالة المدببة، مشكلة مستمرة لنموذج لامدا-سي دي إم القياسي . تتوافق النماذج ذات كثافة المادة المظلمة الثابتة تقريبًا في مركز المجرات مع الملاحظات. ^{[ 42 ] [ 43 ]}

لكي يسمح منحنى الدوران بالاستواء، يجب أن يختلف توزيع الكثافة للمجرة ومحيطها عن التوزيع المتركز في مركزها. تنص صيغة نيوتن لقانون كبلر الثالث على أن توزيع الكثافة الشعاعي المتناظر كرويًا ρ ( r ) هو: $${\displaystyle \rho (r)={\frac {v(r)^{2}}{4\pi Gr^{2}}}\left(1+2~{\frac {d\log v(r)}{d\log r}}\right)}$$ حيث v ( r ) هو منحنى السرعة المدارية الشعاعية، و G هو ثابت الجاذبية . يتطابق هذا المنحنى بشكل كبير مع توقعات منحنى كرة متساوية الحرارة، حيث إذا كانت v ( r ) ثابتة تقريبًا، فإن الكثافة ρ تتناسب طرديًا مع ^r⁻² حتى نصف قطر داخلي معين، حيث يُفترض ثبات الكثافة. لا تتوافق الملاحظات مع هذا المنحنى البسيط، كما ورد في ورقة بحثية رائدة نشرها نافارو وفرينك ووايت عام 1996. ^{[ 44 ]}

ثم لاحظ المؤلفون أن "الميل اللوغاريتمي المتغير تدريجيًا" لدالة توزيع الكثافة يمكن أن يستوعب أيضًا منحنيات دوران مسطحة تقريبًا على نطاقات واسعة. وقد وجدوا منحنى نافارو-فرينك-وايت الشهير ، والذي يتوافق مع كل من محاكاة الأجسام المتعددة والملاحظات التي قدمها $${\displaystyle \rho (r)={\frac {\rho _{0}}{{\frac {r}{R_{s}}}\left(1+{\frac {r}{R_{s}}}\right)^{2}}}}$$ حيث تمثل الكثافة المركزية، ρ₀ _، ونصف قطر المقياس، Rₛ _، معلمات تتغير من هالة إلى أخرى. ^{[ 45 ]} ولأن ميل منحنى الكثافة يتباعد عند المركز، فقد اقتُرحت منحنيات بديلة أخرى، مثل منحنى إيناستو ، الذي أظهر توافقًا أفضل مع بعض محاكاة هالات المادة المظلمة. ^{[ 46 ] [ 47 ]}

تشير ملاحظات سرعات المدار في المجرات الحلزونية إلى بنية كتلة وفقًا لما يلي: $${\displaystyle v(r)=\left(r\,{\frac {d\Phi }{dr}}\right)^{1/2}}$$ حيث Φ هو الجهد الجاذبي للمجرة .

بما أن رصد دوران المجرات لا يتطابق مع التوزيع المتوقع من تطبيق قوانين كبلر، فإنه لا يتطابق مع توزيع المادة المضيئة. ^{[ 28 ]} وهذا يعني أن المجرات الحلزونية تحتوي على كميات كبيرة من المادة المظلمة، أو بدلاً من ذلك، وجود فيزياء غريبة تحدث على نطاق المجرات. ويصبح هذا المكون الإضافي غير المرئي أكثر وضوحًا تدريجيًا في كل مجرة ​​عند أقطارها الخارجية، وبين المجرات الأقل إضاءة.

يُفسَّر هذا النوع من الملاحظات عادةً بأن حوالي 26% من كتلة الكون تتكون من المادة المظلمة، وهي نوع افتراضي من المادة لا يُصدر إشعاعًا كهرومغناطيسيًا ولا يتفاعل معه . ويُعتقد أن المادة المظلمة تُهيمن على الجاذبية الكامنة للمجرات وتجمعاتها. ووفقًا لهذه النظرية، فإن المجرات عبارة عن تكثفات باريونية من النجوم والغاز (وتحديدًا الهيدروجين والهيليوم) تقع في مراكز هالات أكبر بكثير من المادة المظلمة، وتتأثر بعدم استقرار جاذبي ناتج عن تقلبات الكثافة البدائية.

يسعى العديد من علماء الكونيات إلى فهم طبيعة وتاريخ هذه الهالات المظلمة المنتشرة في كل مكان، وذلك من خلال دراسة خصائص المجرات التي تحتويها (أي لمعانها، وحركتها، وأحجامها، وأشكالها). وقد أصبح قياس الحركة (مواقعها وسرعاتها وتسارعاتها) للنجوم والغازات المرئية أداةً لدراسة طبيعة المادة المظلمة، من حيث محتواها وتوزيعها بالنسبة إلى المكونات الباريونية المختلفة لتلك المجرات.

تُعدّ منحنيات دوران المجرات إحدى أهم تنبؤات نماذج المادة المظلمة، والتي تستطيع قوانين الجاذبية المُعدّلة تفسيرها دون الحاجة إلى فرضية المادة المظلمة. ^{[ 48 ]} فعلى سبيل المثال، تُعدّل ديناميكيات نيوتن المُعدّلة (MOND)، ^{[ 49 ]} التي اقترحها موردخاي ميلغروم في عام 1983، قانون نيوتن للقوة عند التسارعات المنخفضة لتعزيز قوة الجذب الجاذبي الفعّالة. ومنذ ذلك الحين، تمّ استكشاف العديد من الصيغ المختلفة لهذا المفهوم. وتُظهر هذه النظريات أداءً جيدًا على مستوى المجرات، حتى وإن لم تكن مناسبة للنماذج الكاملة لعلم الكونيات. ^{[ 50 ] : 112}

بينما يفترض النموذج الكوني القياسي (لامدا-سي دي إم) وجود هالات من المادة المظلمة لتفسير منحنى دوران كل مجرة، فقد أثبتت نظرية الديناميكا النيوترونية المعدلة (MOND) نجاحها في التنبؤ بمنحنيات دوران المجرات، بما في ذلك ما يُسمى بالمجرات ذات السطوع السطحي المنخفض، والتي (وفقًا للنموذج القياسي) يُفترض أن تهيمن عليها المادة المظلمة عند جميع الأقطار. ^{[ 51 ]} وقد قدمت نظرية MOND عددًا من التنبؤات الجديدة الأخرى، والتي غالبًا ما تكون مفاجئة، والتي تم تأكيدها لاحقًا. ^{[ 52 ]} على سبيل المثال، تتنبأ نظرية MOND بوجود علاقة وظيفية بين سرعة الدوران التقاربية والكتلة الكلية (غير المظلمة) للمجرة.${\displaystyle V={\rm {const.}}\times M^{1/4}}$، ما يسمى بعلاقة تولي-فيشر الباريونية . ^{[ 53 ]} كما ثبت أن MOND يتنبأ بشكل صحيح بتشتت السرعة الداخلية للمجرات التابعة الصغيرة للمجموعة المحلية ، ^{[ 54 ]} والتي يجب أن يكون العديد منها "يهيمن عليه المادة المظلمة" وفقًا للنموذج القياسي.

باستخدام بيانات من قاعدة بيانات قياس الضوء ومنحنيات الدوران الدقيقة لسبيتزر (SPARC)، توصل فريق بحثي إلى أن التسارع الشعاعي الذي ترصده منحنيات الدوران (وهو تأثير يُعرف باسم "علاقة التسارع الشعاعي") يمكن التنبؤ به من خلال التوزيع الباريوني المرصود فقط (أي بما في ذلك النجوم والغاز، ولكن ليس المادة المظلمة). ^{[ 55 ]} قد تكون علاقة التسارع الشعاعي (RAR) هذه أساسية لفهم ديناميكيات المجرات. ^{[ 56 ]} وقد قدمت هذه العلاقة نفسها تطابقًا جيدًا مع 2693 عينة في 153 مجرة ​​دوارة، ذات أشكال وكتل وأحجام ونسب غاز متنوعة. استُخدم السطوع في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، حيث يهيمن الضوء الأكثر استقرارًا من العمالقة الحمراء، لتقدير مساهمة الكثافة الناتجة عن النجوم بشكل أكثر اتساقًا. تتوافق النتائج مع نظرية الديناميكا النيوتونية المعدلة (MOND)، وتضع حدودًا للتفسيرات البديلة التي تتضمن المادة المظلمة وحدها. تُنتج المحاكاة الكونية ضمن إطار عمل Lambda-CDM علاقات مختلفة، حيث ينتج بعضها نتيجة مشابهة لتلك المرصودة ^{[ 57 ]} ، بينما يؤدي البعض الآخر إلى علاقة مختلفة. ^{[ 58 ]}

لقد تم التشكيك في محاولات نمذجة دوران المجرات استنادًا إلى مقياس النسبية العامة ، والتي أظهرت أن منحنيات دوران مجرة ​​درب التبانة ، والمجرات NGC 3031 ، و NGC 3198 ، و NGC 7331 تتوافق مع توزيعات كثافة الكتلة للمادة المرئية ^{[ 59 ]} ، بالإضافة إلى أعمال أخرى مماثلة ^{[ 60 ]} . ^{[ 61 ]} تُظهر حلول معادلات أينشتاين في حد الطاقة المنخفضة لنظام مكون من غبار ذي تناظر محوري ودوران ثابت، والذي يُستخدم كنموذج مبسط للمجرة، خصائص غير نيوتونية مثل منحنيات الدوران المسطحة. تُعد هذه الأنظمة الدوارة أجسامًا نسبية بحتة، إذ لا يوجد لها نظير نيوتوني. ^{[ 62 ]}

وفقًا لتحليل حديث للبيانات التي أنتجتها المركبة الفضائية غايا ، يبدو من الممكن تفسير منحنى دوران مجرة ​​درب التبانة على الأقل دون الحاجة إلى أي مادة مظلمة، وذلك إذا تم اعتماد مجموعة معادلات النسبية العامة كاملةً بدلاً من تقريب نيوتن . ^{[ 63 ] [ 64 ]}

• قائمة بالمسائل غير المحلولة في الفيزياء
• مطيافية الشق الطويل
• نظرية الجاذبية غير المتناظرة

• كويكن ك.؛ جيلمور ج. (1989). "توزيع الكتلة في قرص المجرة - الجزء الثالث: كثافة الكتلة الحجمية المحلية" . الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية . 239 (2): 651-664 . Bibcode : 1989MNRAS.239..651K . doi : 10.1093/mnras/239.2.651 .تقرير بحثي أولي يناقش حد أورت، ويستشهد بدراسة أورت الأصلية لعام 1932.
• بيغمان، ك.ج.؛ برويلز، أ.هـ.؛ ساندرز، ر.هـ. (1991). "منحنيات الدوران الممتدة للمجرات الحلزونية: الهالات المظلمة والديناميكيات المعدلة" . الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية . 249 (3): 523-537 . رمز Bibcode : 1991MNRAS.249..523B . doi : 10.1093/mnras/249.3.523 .يخلص تحليل البيانات الذي أجري عام 1991 إلى أن "نظرية الديناميكا النيوكليوزيدية الجديدة (MOND) هي حاليًا أفضل وصف ظاهري لمنهجية التباين في المجرات".

• علم الفلك المجري ، ديمتري ميهالاس وبول مكراي . دبليو إتش فريمان 1968.

• بيرغستروم، لارس (2009). "مرشحو المادة المظلمة". المجلة الجديدة للفيزياء . 11 (10) 105006. arXiv : 0903.4849 . Bibcode : 2009NJPh...11j5006B . doi : 10.1088/1367-2630/11/10/105006 . S2CID 204020148 . 
• القضية ضد المادة المظلمة . حول منهج إريك فيرليند في معالجة المشكلة. (نوفمبر 2016)