Respuesta corta

La pregunta es un poco ambigua. si la pregunta es

¿Por qué la velocidad de las estrellas aumenta con la distancia cercana al centro galáctico?

la respuesta es

porque su órbita abarca más masa, y esto corresponde a un tirón de gravedad más fuerte.

si la pregunta es

¿Por qué su velocidad se mantiene constante y no disminuye en radios grandes, donde la densidad de estrellas disminuye?

la respuesta de consenso actual es

Tenemos que agregar materia oscura a las estrellas observadas para explicar eso.

Respuesta larga

La curva B a continuación (tomada de wikipedia ) representa la velocidad de la estrella observada en función de la distancia desde el centro galáctico.

La curva A corresponde a la curva esperada sin materia oscura . Como puede ver, más allá de una distancia determinada, se espera que la velocidad disminuya, pero en realidad se mantiene más o menos constante. La materia oscura se ha postulado inicialmente como una solución a esta discrepancia.

El aumento de velocidad cerca del centro es independiente de la presencia o no de materia oscura. La velocidad de una estrella en una órbita circular de radio$r$en el plano galáctico está dado por un equilibrio de la aceleración centrífuga y la gravedad que siente:

$$\begin{gather} \frac{v^2}r= G \frac{m(r)}{r^2}\\ v=\sqrt{ G\frac{m(r)}{r}} \end{gather}$$ dónde $m(r)$es la masa de estrellas contenida en un esferoide centrado en el centro de radio galáctico $r$(ver por ejemplo aquí para más detalles. Y luego adaptarlo a la geometría de una galaxia). Si $r$es más pequeño que el espesor de la galaxia, el número de estrellas es proporcional al volumen de la esfera, y esperamos $$\begin{align} m(r)&\propto r^3& v&\propto r \end{align}$$ lo cual es consistente con el aumento inicial.

Cuando$r$es mayor que el espesor, si la densidad de estrellas es constante, tenemos entonces

$$\begin{align} m(r)&\propto r^2& v&\propto \sqrt r, \end{align}$$ y esto todavía corresponde a un aumento de velocidad.

Cuando$r$es lo suficientemente grande, la densidad de la estrella disminuye con$r$hasta un punto donde$m(r)< C r$y esto debería dar la curva decreciente A. Por otro lado, la curva observada B es esencialmente constante, y esto puede verse como una medida de$m(r)\propto r$. Esto no es consistente con la distribución estelar observada, pero es consistente con la presencia de materia oscura (es decir, no vista) con una densidad radial.$\propto\frac1{r^2}$.

Como nadie lo mencionó, creo que es justo proporcionar al menos una respuesta sobre MOND (Dinámica newtoniana modificada) .

Básicamente, la curva de rotación de la galaxia es la razón por la que se propuso la materia oscura en primera instancia. Sin embargo, la explicación de la materia oscura, dejando de lado por un momento otras consideraciones como socios débilmente acoplados supersimétricos, no es muy satisfactoria desde un punto de vista científico, ya que es una instancia de ajuste de parámetros (es decir, materia invisible) para preservar un modelo. . Piense en el modelo de Ptolomeus del sistema solar, con las órbitas epicíclicas postuladas para preservar la tierra en el centro del modelo.

MOND como explicación alternativa a la materia oscura está ampliamente desacreditada, especialmente después de la observación de lentes gravitacionales en las regiones medias del cúmulo Bullet , lo que sugiere a algunos que una fuente transparente de gravedad está causando el efecto de lente.

Sin embargo, a pesar de esto, la hipótesis MOND, al menos como heurística para retrodecir las curvas de rotación de las galaxias, funciona extremadamente bien . La hipótesis básicamente dice que el acoplamiento de la masa gravitacional se vuelve más débil cuando las aceleraciones caen por debajo de$a_0 \approx 10^{-10} m/s^2$. A partir de esa simple suposición, es capaz de predecir la mayoría de las curvas de rotación de galaxias que se observan actualmente.

La llamativa similitud de una galaxia y un huracán.

¿Necesita DM o SMBH en el huracán? Su campo de fuerza es similar. El huracán está gobernado por un vórtice, entonces, ¿cómo puede una galaxia estar sujeta a tal campo que es más importante que la fuerza central en el centro de la galaxia? Estoy seguro de que hay una manera.

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Intentaré explicar por qué hay un vórtice:

Todas las imágenes fueron tomadas de outra Física CC .
En este enlace PSE (anti gravedad) muestro con gráficos y ecuaciones cómo los vacíos tienen que crecer debido al campo gravitatorio. Toda la masa que antes estaba dentro de ellos ahora está en el caparazón exterior de los vacíos.

Cuando dos vacíos intersecan a tenemos:

y el campo es como
Para ver el campo de un vórtice , debe eliminar el campo medio

Como ves no hace falta DM ni SMBH. Lo único que se necesita es seguir las reglas de la física (y mucha imaginación de mi amigo Alfredo que me permite ver solo la física como la verdadera naturaleza de la Naturaleza, cuando todos los demás solo pueden explicar con una Materia Oscura mágica) .

Hay noticias recientes ( arxiv y cosmiclog ) de que DM probablemente tiene que tener dos composiciones/propiedades diferentes y los astrónomos no saben cómo justificar el comportamiento observado.
Por supuesto, uno puede continuar con la búsqueda de DM. Yo no.

La resistencia que tienen los lectores a este tipo de modelo, que sólo sigue las leyes de la gravedad, tiene que ver con el hecho de que este pide un comienzo diferente del Universo. ¿Por que no? ¡Ahh el BB y la Energía Oscura, dices!

Entonces, el comienzo del Universo puede ser un universo infinito (o casi), homogéneo y con temperatura = 0. La temperatura crecerá, contradiciendo nuestras más profundas convicciones de que esto es imposible.

Si quieres entender más claro, lee ese blog desde la primera hasta la última publicación (está escrito, en portugués, de tal manera que cualquier persona puede entender), o para centrarte solo en la pregunta actual, debes comenzar en O nascimento de uma Bolha hasta llegar a As espirais Galácticas .

¿Y la Energía Oscura? Te deshiciste de él, de nuevo con la ayuda de mi amigo Alfredo, con su artículo: Un modelo autosimilar del Universo revela la naturaleza de la energía oscura . Publiqué una breve prueba matemática de su argumento en este enlace PSE (son-el-resto-masas-de-partículas-fundamentales-ciertamente-constantes) . ¿Por qué las partículas deberían estar encogiéndose dándonos la impresión de una expansión espacial? Sus campos asociados se expanden en el espacio, los campos tienen energía y son generados por las partículas. Para preservar el presupuesto total de energía deben 'reducirse'. Oye, en el laboratorio no veo que se encoja, ¿cómo es que? Es imposible detectar los fenómenos localmente porque el laboratorio, la instrumentación y uno mismo se están encogiendo, y sobre todo a nadie le gusta encogerse.

Me doy cuenta de que cuando se 'inventó' DM fue solo un ajuste de datos. No tienen un modelo para justificar las observaciones y en lugar de pensar más, postularon su existencia. ¿Necesitamos GR en la cosmología si el espacio es plano arxiv-BAO-survey ? No. Por eso invito a los lectores a que presten atención al artículo de mis amigos y sean los primeros en decir 'Veo un error'.

Cuando fui a la escuela ya 'sabía' que el espacio se está ampliando, y lo mismo contigo. Es chocante si es 'al contrario'.

El mayor enemigo al que nos enfrentamos en la búsqueda del conocimiento son nuestras 'creencias arraigadas'.

Ahora que me tomé mi precioso tiempo para escribir esta larga respuesta, les pido amablemente a los votantes negativos que digan en qué puntos en particular creen que estoy equivocado.

Las estrellas en el disco galáctico giran casi con la misma velocidad orbital 200-230 km/s alrededor del centro galáctico. A diferencia de un sistema estelar donde los planetas siguen la tercera ley de Kepler. Para explicar la velocidad orbital casi constante de las estrellas en la galaxia, hemos calculado la materia oscura, que se distribuye de tal manera que da a las estrellas casi las mismas velocidades orbitales, lo cual es una extraña coincidencia.

Podría haber un motor en el medio acelerando las estrellas, pero tal motor es absurdo, ya que no sabemos cómo se puede transferir la energía de esta manera a esta inmensa escala. Acabo de proponer una solución hipotética, donde un sistema binario de agujeros negros en el medio de la galaxia acelera las estrellas en el disco galáctico por ondas gravitacionales. Es posible que desee echarle un vistazo: ¿Existe un sistema binario de agujeros negros en el centro de la galaxia?

La materia oscura o la energía oscura .

No sabemos en absoluto qué son. Solo sabemos que existen, pero como digo, no tenemos idea.