銀河の回転曲線

円盤銀河の回転曲線（速度曲線とも呼ばれる）は、その銀河内の目に見える恒星またはガスの軌道速度と、その銀河の中心からの半径距離との関係をプロットしたものである。これは通常、プロットとしてグラフ化され、渦巻銀河の各側から観測されるデータは一般に非対称であるため、各側のデータを平均して曲線を作成する。観測された実験曲線と、銀河内で観測される物質に重力理論を適用して得られた曲線との間には、大きな食い違いがある。この差異を説明するために主に想定されている解決策は、暗黒物質に関する理論である。^[2]

銀河/恒星の自転/公転速度は、質量の大部分が中心にある恒星/惑星や惑星/衛星などの他の軌道系に見られる規則には従いません。恒星は、広範囲の距離にわたって等速または増加する速度で銀河の中心の周りを公転します。対照的に、惑星系の惑星と惑星を周回する衛星の公転速度は、ケプラーの第3法則に従って距離とともに低下します。これは、それらのシステム内の質量分布を反映しています。銀河が発する光に基づく銀河の質量推定値は、速度観測を説明するには低すぎます。^[3]

銀河回転問題とは、観測された銀河回転曲線と、観測された発光物質に関連する中心優位の質量を仮定した理論的予測との間の食い違いである。銀河の質量プロファイルを、渦巻き状の星の分布と恒星円盤内の質量対光度比から計算すると、観測された回転曲線と重力法則から導かれる質量と一致しない。この難問の解決策は、暗黒物質の存在を仮定し、その分布が銀河の中心から銀河のハローまでであると仮定することである。したがって、2つの曲線の食い違いは、銀河を取り囲む暗黒物質ハローを追加することで説明できる。^[4]

回転問題に対する説明として、暗黒物質は圧倒的に受け入れられているが、成功の度合いはさまざまであるが、他の提案も提案されてきた。考えられる代替案のうち、最も注目すべきものの1つは、重力の法則を修正する修正ニュートン力学（MOND）である。 ^[5]

1932年、ヤン・ヘンドリック・オールトは、太陽近傍の恒星の測定から、可視物質に基づく質量分布を仮定した場合の予想よりも恒星の動きが速いことが示されたと初めて報告したが、これらの測定は後に本質的に誤りであることが判明した。^[6] 1939年、ホレス・バブコックは博士論文でアンドロメダの回転曲線の測定結果を報告し、質量と光度の比が放射状に増加していることを示唆した。^[7]彼は、それが銀河内での光の吸収か渦巻きの外側部分のダイナミクスの変化によるものであり、物質の消失によるものではないとした。バブコックの測定結果は後に発見されたものと大幅に食い違うことが判明し、現代のデータとよく一致する拡張回転曲線の最初の測定結果は、1957年にヘンク・ファン・デ・フルストと共同研究者によって発表された。彼らは、新たに稼働を開始したドウィンゲロー25メートル望遠鏡でM31を研究した。^[8]マールテン・シュミットの関連論文では、この回転曲線は光よりも広い平坦な質量分布に適合できることが示された。^[9] 1959年、ルイーズ・ヴォルダースは同じ望遠鏡を使用して、渦巻き銀河M33もケプラーの力学に従って予想されるようには回転していないことを実証した。^[10]

ヤン・オールトは、NGC 3115について報告し、 「この銀河系内の質量分布は、光の分布とほとんど関係がないように見える...NGC 3115 の外側の部分では、質量と光の比率が約 250 であることがわかる」と書いている。^[11] 彼は、雑誌記事の 302 ～ 303 ページで、「この強く凝縮した明るい銀河系は、密度が高く、多かれ少なかれ均質な大きな塊に埋め込まれているように見える」と述べ、この塊は極めて暗い矮星か星間ガスと塵のいずれかである可能性があると推測したが、この銀河の暗黒物質ハローを明らかに検出した。

カーネギー望遠鏡（カーネギーダブルアストログラフ）は、銀河の回転に関するこの問題を研究するために設計された。^[12]

1960年代後半から1970年代前半にかけて、ワシントンのカーネギー研究所地球磁気学部の天文学者ヴェラ・ルビンは、エッジオンの渦巻銀河の速度曲線を、これまでにない高い精度で測定できる新しい高感度分光器を使って研究を行った。 ^{[13]ルビンは同僚の}ケント・フォードとともに、1975年のアメリカ天文学会で、渦巻銀河のほとんどの恒星はほぼ同じ速度で公転していること、^{[14]そしてこれは、ほとんどの恒星の位置（}銀河バルジ）をはるかに超えた半径で銀河の質量がほぼ直線的に増加することを意味していることを発見したと発表しました。ルービンは1980年に影響力のある論文でその結果を発表しました。^[15]これらの結果は、ニュートンの重力が普遍的に適用されないか、控えめに言っても銀河の質量の50％以上が比較的暗い銀河ハローに含まれていることを示唆していました。当初は懐疑的な見方もありましたが、その後数十年にわたってルービンの結果は確認されました。^[16]

ニュートン力学が正しいと仮定すると、銀河の質量の大部分は中心近くの銀河バルジにあり、円盤部分の星とガスは銀河中心からの半径距離とともに速度が減少しながら中心を周回するはずです（図1の破線）。

しかし、渦巻き銀河の回転曲線の観察では、このことは裏付けられていません。むしろ、曲線は予想される逆平方根の関係で減少するのではなく、「平坦」です。つまり、中心の膨らみの外側では速度はほぼ一定です (図 1 の実線)。また、発光物質の均一な分布を持つ銀河は、中心から端に向かって上昇する回転曲線を持ち、ほとんどの低表面輝度銀河(LSB 銀河) は同じ異常な回転曲線を持つことも観察されています。

回転曲線は、中心バルジの外側の銀河に浸透し、中心バルジの質量光度比で光を放射しない物質が大量に存在するという仮説を立てることで説明できるかもしれない。余分な質量の原因となる物質は暗黒物質と呼ばれ、その存在は1930年代にヤン・オールトがオールト定数の測定で、フリッツ・ツビッキーが銀河団の質量の研究で初めて提唱された。非バリオン性の冷たい暗黒物質（CDM）の存在は、今日では宇宙の宇宙論を記述するラムダCDMモデルの主要な特徴となっている。

平坦な回転曲線を適応させるには、銀河とその周囲の密度プロファイルは、中心に集中しているものとは異なる必要があります。ニュートン版のケプラーの第 3 法則は、球対称の放射状密度プロファイルρ ( r )が次の式で表されます。 ここで、v ( r )は放射状軌道速度プロファイル、Gは重力定数です。このプロファイルは、特異な等温球プロファイルの予想とほぼ一致します。ここで、v ( r )がほぼ一定であれば、密度ρ ∝ r ^{−2 は}内側の「コア半径」までとなり、そこでは密度が一定であると想定されます。観測結果は、ナバロ、フレンク、ホワイトが 1996 年の重要な論文で報告したように、このような単純なプロファイルと一致しません。^[17]$${\displaystyle \rho (r)={\frac {v(r)^{2}}{4\pi Gr^{2}}}\left(1+2~{\frac {d\log v(r)}{d\log r}}\right)}$$

次に著者らは、密度プロファイル関数の「緩やかに変化する対数勾配」は、大規模スケールでほぼ平坦な回転曲線も収容できる可能性があると述べた。彼らは有名なナバロ・フレンク・ホワイトプロファイルを発見した_。これは、 N体シミュレーションと、 中心密度ρ0とスケール半径Rsがハローごとに異なるパラメータである、によって与えられる観測の両方と一致する。_[ ^18]密度プロファイルの勾配は中心で発散するため、他の代替プロファイルが提案されている。たとえば、特定の暗黒物質ハローシミュレーションとよりよく一致するエイナストプロファイルである。 ^{[19] [20]}$${\displaystyle \rho (r)={\frac {\rho _{0}}{{\frac {r}{R_{s}}}\left(1+{\frac {r}{R_{s}}}\right)^{2}}}}$$

渦巻銀河の軌道速度の観測から、次式に従った質量構造が示唆されます。Φ は銀河の重力ポテンシャル です。 $${\displaystyle v(r)=\left(r\,{\frac {d\Phi }{dr}}\right)^{1/2}}$$

銀河の回転の観測はケプラーの法則を適用して予測される分布と一致しないため、発光物質の分布とも一致しません。^[15]これは、渦巻き銀河に大量の暗黒物質が含まれているか、あるいは銀河規模で異常な物理現象が作用していることを意味します。追加の目に見えない成分は、各銀河の外側の半径で、また銀河間の明るさの低い半径で次第に顕著になります。^{[説明が必要]}

これらの観察結果に対する一般的な解釈は、宇宙の質量の約 26% が暗黒物質で構成されているというものです。暗黒物質は、電磁放射を放出したり、電磁放射と相互作用したりしない仮説上の物質です。暗黒物質は、銀河や銀河団の重力ポテンシャルを支配していると考えられています。この理論によれば、銀河は、原始的な密度変動によって引き起こされた重力不安定性の影響を受ける、はるかに大きな暗黒物質のハローの中心にある星とガス (つまり水素とヘリウム) のバリオン凝縮です。

多くの宇宙学者は、これら遍在する暗黒ハローの性質と歴史を理解するために、そこに含まれる銀河の特性 (つまり、その明るさ、運動学、大きさ、形態) を調査しています。観測可能な恒星とガスの運動学 (位置、速度、加速度) の測定は、それらの銀河のさまざまなバリオン成分と比較した暗黒物質の内容と分布に関して、暗黒物質の性質を調査するためのツールとなっています。

銀河の回転ダイナミクスは、タリー・フィッシャー関係式上の位置によってよく特徴付けられ、渦巻銀河の場合、回転速度は総光度と一意に関係していることを示しています。渦巻銀河の回転速度を予測する一貫した方法は、そのボロメータ光度を測定し、タリー・フィッシャー図上の位置から回転速度を読み取ることです。逆に、渦巻銀河の回転速度がわかれば、その光度がわかります。したがって、銀河の回転の大きさは、銀河の可視質量に関連しています。^[22]

バルジ、ディスク、ハローの密度プロファイルを正確にフィッティングするのはかなり複雑なプロセスですが、この関係を通じて回転銀河の観測量をモデル化するのは簡単です。^{[23] [より良い情報源が必要]そのため、通常の}バリオン物質を含む暗黒物質の最先端の宇宙論および銀河形成シミュレーションは銀河の観測と一致させることができますが、観測されたスケーリング関係が存在する理由についてはまだ直接的な説明はありません。^{[24] [25]}さらに、 1990年代の低表面輝度銀河（LSB銀河）の回転曲線の詳細な調査[ ^{26 ]}とタリー-フィッシャー関係におけるそれらの位置の調査により、LSB銀河は、高表面輝度の銀河の暗黒物質ハローよりも広がって密度が低い必要があり、したがって表面輝度はハローの特性に関連していることが示されました。このような暗黒物質が優勢な矮小銀河は、矮小銀河の構造形成問題を解決する鍵を握っている可能性がある。

非常に重要なことは、低表面輝度銀河と高表面輝度銀河の内部を解析した結果、暗黒物質が支配的なシステムの中心の回転曲線の形状が、NFW空間質量分布プロファイルとは異なるプロファイルを示していることがわかったことです。^{[28] [29]}このいわゆるカッスピーハロー問題は、標準的な冷たい暗黒物質理論にとって根深い問題です。この文脈では、銀河の最内部領域で予測される暗黒物質分布を変更するために恒星エネルギーを星間物質にフィードバックするシミュレーションが頻繁に呼び出されます。^{[30] [31]}

暗黒物質を考慮せずに重力を修正することで銀河の回転の問題を解決しようとする試みは数多く行われてきた。最も議論されているものの一つは、1983年にモルデハイ・ミルグロムが最初に提案した修正ニュートン力学（MOND）であり、低加速度でのニュートン力の法則を修正して有効重力吸引力を高めるものである。^[32] MONDは、低表面輝度銀河の回転曲線の予測にかなりの成功を収めており、^[33]バリオンのタリー・フィッシャー関係式と一致しており、^[34]局部銀河群の小さな衛星銀河の速度分散と一致している。^[35]

Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC) データベースのデータを使用して、あるグループは、回転曲線によってトレースされる半径方向の加速度 (「半径方向の加速度関係」と呼ばれる効果) が、観測された重粒子分布 (つまり、星とガスを含み、暗黒物質を含まない) からのみ予測できることを発見しました。^[36] このいわゆる半径方向の加速度関係 (RAR) は、銀河のダイナミクスを理解するための基本的なものかもしれません。^[37]同じ関係は、さまざまな形、質量、サイズ、ガス分率を持つ 153 の回転銀河の 2693 のサンプルによく適合しました。赤色巨星からのより安定した光が優勢な近赤外線の明るさを使用して、星による密度の寄与をより一貫して推定しました。結果は MOND と一致しており、暗黒物質のみを含む代替説明に限界を課しています。ただし、バリオンフィードバック効果を含む Lambda-CDM フレームワーク内の宇宙論シミュレーションは、新しいダイナミクス (MOND など) を呼び出す必要なく、同じ関係を再現します。^[38]このように、重粒子の散逸崩壊によるフィードバック効果を考慮すれば、暗黒物質自体による寄与は重粒子の寄与から完全に予測できる。MONDは相対論的理論ではないが、テンソル・ベクトル・スカラー重力理論（TeVeS）^{[5] [39]} スカラー・テンソル・ベクトル重力理論（STVG）、カポッツィエッロとデ・ラウレンティスのf(R)理論など、MONDに還元される相対論的理論が提案されている。^[40]

一般相対性理論に基づく銀河回転モデルも提案され、天の川銀河、NGC 3031、NGC 3198、NGC 7331の回転曲線が可視物質の質量密度分布と一致しており、異常な暗黒物質の巨大なハローの必要性を回避することが示されている。^{[41] [42]}

ガイア宇宙船によって生成されたデータの最近の分析によると、ニュートン近似の代わりに一般相対性理論の方程式全体を採用すれば、少なくとも天の川銀河の回転曲線を暗黒物質を必要とせずに説明できると思われる。^{[43] [44]}

2021年3月、ゲルソン・オットー・ルートヴィヒは、一般相対性理論に基づいて、重力電磁気学による銀河の回転曲線を説明するモデルを発表しました。^[45]

• 物理学における未解決問題のリスト
• ロングスリット分光法
• 非対称重力理論

• Kuijken K.; Gilmore G. (1989). 「銀河系円盤の質量分布 – III. 局所体積質量密度」.王立天文学会月報. 239 (2): 651–664. Bibcode :1989MNRAS.239..651K. doi : 10.1093/mnras/239.2.651 .オールトの限界について議論し、オリジナルのオールトの 1932 年の研究を引用した主要な研究レポート。
• Begeman, KG; Broeils, AH; Sanders, RH (1991). 「渦巻き銀河の拡張回転曲線: 暗黒ハローと修正されたダイナミクス」.王立天文学会月報. 249 (3): 523–537. Bibcode : 1991MNRAS.249..523B . doi : 10.1093/mnras/249.3.523 .この 1991 年のデータ分析では、「MOND は現在、銀河の不一致の体系を最もよく現象的に記述している」と結論づけています。

• 銀河天文学、ドミトリ・ミハラスとポール・マクレー。WHフリーマン、 1968年。

• Bergstrom, Lars (2009). 「ダークマター候補」. New Journal of Physics . 11 (10): 105006. arXiv : 0903.4849 . Bibcode :2009NJPh...11j5006B. doi :10.1088/1367-2630/11/10/105006. S2CID  204020148.
• ダークマターに対する反論。この問題に対するエリック・フェルリンデ氏のアプローチについて。(2016 年 11 月)