¿Por qué es extraño que las estrellas exteriores de una galaxia viajen a la misma velocidad que las interiores mientras que la masa total también aumenta?

Los astrónomos dicen que es extraño que las estrellas exteriores de una galaxia viajen a la misma velocidad que las estrellas interiores. Por lo tanto, introdujeron la materia oscura para resolver esta extrañeza. La teoría de que las estrellas internas 'tienen que' ir más rápido es que debido a que están más cerca del centro, la gravedad es mayor, como si la Tierra estuviera más cerca del sol y más rápido que Neptuno.

Pero lo que me pregunto es si el hecho de que solo las estrellas exteriores sean atraídas por más masa, porque hay más masa de estrellas que están dentro de las órbitas de las estrellas exteriores, explica la igualdad. Entonces, en esta vista, no es tan extraño que tengan la misma velocidad porque están influenciados por más gravedad. ¿O es que esta influencia adicional se considera demasiado pequeña para explicar la igualdad?

Respuestas (2)

Esto se tiene en cuenta en los modelos reales de las curvas de rotación de las galaxias. La curva de rotación de una galaxia es más complicada que el movimiento de los planetas en el sistema solar, por las razones que describes.

Un modelo trivial consideraría la galaxia como esféricamente simétrica y usaría el teorema de la capa para estimar la aceleración centrípeta de una estrella en el radio r . Por lo tanto

metro r ω 2 = GRAMO metro METRO ( r ) r 2 ,
donde metro es la masa de la estrella, ω es la velocidad angular y METRO ( r ) sería la masa de toda la materia gravitante en radios < r . Tenga en cuenta que esto solo se aplica a una distribución de masa esféricamente simétrica.

Para seguir avanzando, es necesario conocer la distribución de la densidad de la materia gravitante. Supongamos que la densidad ρ es constante por el momento. Después

r 3 ω 2 = GRAMO ∫ ρ   4 π r 2   d r = 4 π 3 GRAMO ρ r 3
ω = 4 π GRAMO ρ 3

Por lo tanto, la velocidad angular sería constante con el radio y la velocidad de rotación, v = ω r aumentaría con el radio. Creo que esta es la situación que supone su pregunta y, por lo tanto, sí, si hubiera una densidad de material constante (o tal vez disminuyendo lentamente ) en la Galaxia, entonces esto produciría una curva de rotación que aumentaría (o sería plana).

El problema es que la densidad del material en nuestra Galaxia deducida de la materia que podemos ver no es constante con el radio. Disminuye rápida y exponencialmente, de modo que hay muy poca materia visible más allá de un radio de unos 15 kpc. Si tomamos una situación en la que vamos a radios más allá de la materia gravitante, entonces un tratamiento similar al anterior sugiere que

metro r ω 2 = GRAMO metro METRO r 2 ,
donde METRO es ahora la masa total de la Galaxia (visible). En este caso
ω = GRAMO METRO r 3
y la velocidad de rotación v = ω r debe declinar como 1 / r (como lo hace en el sistema solar).

Es el hecho de que la velocidad de rotación de las estrellas y el gas en radios grandes ( > 15 kpc) continúa siendo plana o incluso aumenta , lo que lleva a la conclusión de que la masa que podemos ver no es toda la que hay. es decir, que necesitamos "materia oscura" para explicar las altas velocidades de rotación en radios donde hay muy poca materia visible.

Los modelos realistas de la galaxia no asumen que la materia visible es esféricamente simétrica (no lo es). Pero las conclusiones que expongo cualitativamente arriba se sostienen de la misma manera.

Cuando dices la misma velocidad, supongo que te refieres a la misma velocidad angular (lo que significa más velocidad en el exterior). A principios de este siglo, tenía una teoría de la cuerda gravitatoria sobre los radios de una galaxia, que discutí con la astrónoma Lisa Moore (que estaba dando conferencias en un crucero, yo estaba dando), donde los brazos de una galaxia actuaban como cuerdas atadas a un eje que se mantiene unido por la gravedad y que gira a la misma velocidad angular. Me dijo que las estrellas pasaban por los brazos. Pensando más, me di cuenta de que no era un problema ya que no había una conexión sólida a través de los brazos (solo la gravedad), por lo que las estrellas podían orbitar a su propia velocidad (más rápido cerca del medio y más lento cerca del exterior) mientras los brazos orbitaban a la misma velocidad. la misma velocidad angular que el centro. Si la materia oscura fuera la razón, Esperaría que las velocidades de rotación coincidieran aproximadamente, ya que no hay nada que una el centro con el exterior. Cuando una galaxia como la nuestra gira una vez cada 250.000.000 años no sé si saben que está girando toda a la misma velocidad cuando solo ha hecho una revolución desde antes de la era de los dinosaurios. Sus métodos de detección de velocidad deben ser bastante sensibles.

No, las estrellas viajan con (más o menos) la misma velocidad, independientemente de la distancia desde el centro, lo que significa que su velocidad angular disminuye.
@pela Gracias. Entonces, las estrellas viajan independientemente de los brazos, que viajan como ondas de compresión alrededor de la galaxia y parecen actuar como cuerdas unidas por la gravedad. No sé por qué las estrellas no estarían viajando un poco más despacio más lejos. Tal vez haya alguna materia oscura por ahí acelerándolos un poco de alguna manera.
Sí, las estrellas entran y salen de los brazos. La razón por la que los brazos son tan llamativos no es que haya muchas más estrellas aquí (quizás sea un factor 2 más o menos), sino que aquí es donde están las estrellas jóvenes y, por lo tanto, más brillantes. Una vez que las estrellas dejan los brazos, la mayoría de las brillantes se han extinguido, por lo que solo las estrellas menos brillantes están entre los brazos. Y sí, la materia oscura que los acelera en las partes externas es exactamente lo que creemos que es la razón de este comportamiento de velocidad :)
¿Por qué es extraño que las estrellas exteriores de una galaxia viajen a la misma velocidad que las interiores mientras que la masa total también aumenta?
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