暗物質

拖更許久的暗物質,因為一些事情加懶癌發作,雖然我也知道沒人想看哈哈!

上次說到暗能量這次要說的是暗物質”Dark matter”的發現,雖然他們倆名子差不多,但本質上卻天差地別,這點是大家要先知道的。

暗能量提供宇宙膨脹的”斥力”

暗物質提供星系之間的”引力”

接下來要說的”暗物質”就相對來說好理解一點了,當然這是相對來說。那我們先來說人們是如何引入暗物質的概念的呢?

1932年,當時的天文學家在測量銀河系的大小,以及猜測銀河系的樣子,但後續天文學家發現銀河系的旋轉曲線不正常。

銀河系旋轉曲線

所謂旋轉曲線這個函數圖像其實很簡單,橫坐標表示到銀心的距離,縱坐標表示天體的運行速度,那這條曲線告訴了我們什麼呢?

實際觀測的曲線告訴我們,距離銀心越遠的天體 旋轉速度就越大而且在近距離有一個急速的增長,之後逐漸趨於平穩,為什麼說出現問題了呢?

因為牛頓告訴我們它不應該長這樣,以太陽系為例,根據開普勒定律和牛頓運動定律,離太陽越進的行星其公轉速度越快,離太陽越遠的行星公轉速度因該越慢,這個很好理解 也符合我們的課本學到的知識。

太陽系旋轉曲線

我們把太陽系的所有行星,按照速度和距離的關係去做一張旋轉曲線,就是會和開普勒、牛頓告訴我們的理論結果是完全擬合的很完美,水星確實最快 海王星確實最慢。

那我們再看一眼銀河系的旋轉曲線,發現不對了吧!它不但沒有下降反而上升了,在距離銀心比較近的這一段急速上升的過程,我們倒是可以解釋。

轉速隨著距離增加的模型其實也很常見,就是一個圓盤,圓盤上距離中心越遠的點速度就是越快的,這就和我們旋轉一個木棍是一樣的,這種旋轉其實叫做剛性旋轉。

那既然距離銀心比較近的地方出現了剛性旋轉的特點,我們就可以利用剛性來解釋問題了,就是銀心是個大黑洞,引力大所以天體都往中間去,這就導致銀心附近的密度比較大,一段距離內就是近似的一個剛性的圓盤,這些個點的旋轉速度就是隨著距離增加的,你看至少我們有個說法了。

可是離銀心比較遠的地方密度也不夠大了,那就應該符合太陽系的結果了啊!也就是隨著距離的增加旋轉速度應該是降下來的,所以我們在理論上預言的銀河系的旋轉曲線,就是先急速增加 然後隨著距離下降。

問題就出現在後半段了,真實情況是沒降下來,而且差不多是穩定住了。

說個具體點的例子,太陽系的旋轉速度基本上就是以每秒鐘240公里的速度,在圍繞著銀河系中心在旋轉的,可是牛頓告訴我們 你不能這麼快,為什麼呢?

因為要是快了就不能形成穩定圓軌道了,速度一快就飛出去了。整個銀河系一轉週邊就散架子了,可是銀河系沒散架啊,這就是問題所在。那銀河系要想保持不散架,而且具有現在實際的旋轉曲線,然後我們太陽系也不被甩出去,銀河的真實質量就應該比我們預計的要大的多,大概大10倍左右,而且應該是一團比銀河系大的多的,我們還看不見的物質把銀河系包圍住了,這一團全部質量分佈的區域叫做星系暈。

打個比方好了,假如我們用沙子捏成一個陀螺讓他轉起來,那這個沙陀螺一般都會散架了!如果要想他不散架,就需要在沙子中和入膠水,增強沙子與沙子之間的結合力。那我們的銀河就像這個沙陀螺,而萬有引力就像沙子中間的膠水一樣,現在的情況就是,銀河系中如果只有會發光的物質提供引力的話,那銀河系早就該散架了(膠水不夠),所以因該是有一種我們看不見的物質(暗物質),提供了足夠的萬有引力(額外的膠水),確保星系能以更快的速度旋轉而不分崩離析。

下次再來說說暗物質的特性!!

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