Каковы аргументы против объяснения кривых вращения галактики тонким диском Фенга и Галло?

Фенг и Галло опубликовали серию очень похожих статей, каждая из которых, по сути, утверждает, что они «обнаружили» серьезный недостаток в том, как (некоторые) астрофизики думают о кривых вращения. Вместо предположения о сферической симметрии они пытаются найти распределение массы, используя кривую вращения, не предполагая сферической симметрии, вместо этого принимая плоскую геометрию с цилиндрической симметрией.

Конечно, они правы ; Утверждения о том, что плоскую кривую вращения можно сравнить с предсказанием Кеплера (предполагающим сферическую симметрию или что вся масса сосредоточена в центре), являются чрезмерно упрощенными. Пока все хорошо, но затем они продолжают утверждать, что их анализ совместим с общей звездной массой галактик и что темная материя не требуется.

Таким образом, в своей плоской модели (и, очевидно, это также подвергается критике) они инвертируют кривые вращения, чтобы получить радиально зависимое распределение поверхностной плотности, которое падает псевдоэкспоненциально.

Проблема 1: Они признают (например, в Feng & Gallo 2011 ), что «поверхностная плотность массы уменьшается к периферии галактики медленнее, чем плотность светимости. Другими словами, отношение массы к свету в дисковой галактике не является константой». Это преуменьшение! Они находят экспоненциальные масштабы для массы, которые примерно в два раза (или более для некоторых галактик) превышают масштабы светимости, поэтому это подразумевает огромное необъяснимое увеличение среднего отношения массы к свету звездного населения с радиусом. Для Млечного пути они дают длину шкалы светимости 2,5 кпк и длину шкалы масс 4,5 кпк, поэтому$M/L$отношение идет как$\exp[0.18r]$, с радиусом в кпк (например, увеличивается в 4 раза между 2 кпк и 10 кпк). Они утверждают, что это может быть связано с пренебрежением в их модели галактической выпуклостью, но совершенно не могут объяснить, как это могло повлиять на отношение массы к свету таким экстремальным образом.

Проблема 2: В своей модели они получают поверхностную плотность массы диска в окрестностях Солнца как 150-200$M_{\odot}/pc^2$. Большинство ($\sim 90$%) звезд в окрестностях Солнца представляют собой звезды «тонкого диска» с высотой экспоненциального масштаба между$z_0= 100-200$ПК. Если мы предположим, что распределение плотности является экспоненциальным с высотой над плоскостью и что Солнце находится вблизи плоскости (на самом деле оно находится примерно на 20 пк над плоскостью, но это мало что меняет), общая поверхностная массовая плотность$\sigma = 200M_{\odot}/pc^2$подразумевает локальную объемную массовую плотность$\rho \simeq \sigma/2z_0$, что в порядке вещей$0.5-1 M_{\odot}/pc^3$для рассматриваемого диапазона возможных высот шкалы. Полная плотность массы в галактическом диске около Солнца, полученная из динамики звезд, наблюдаемых Hipparcos, на самом деле составляет всего лишь$0.076 \pm 0.015 M_{\odot}/pc^3$( Creze et al. 1998 ), что на порядок не соответствует требованиям Feng & Gallo . (Это не беспокоит холодную небарионную модель темной материи, поскольку дополнительная (темная) масса не сосредоточена в плоскости Галактики).

Задача 3: Для самых усеченных дисков, которые они рассматривают, с ребром в$r=15$кпк, полная масса Галактики$1.1\times10^{11}\ M_{\odot}$(опять же из Feng & Gallo 2011 ). Затем утверждается, что это «очень хорошо согласуется с числом звезд Млечного Пути в 100 миллиардов (Sparke & Gallagher 2007)». Я бы не согласился. Предполагая, что «звезды» охватывают весь диапазон звездных масс, я бы не возражал против числа в 100 миллиардов; но средняя звездная масса составляет около$0.2\ M_{\odot}$(например , Chabrier 2003 ), так что это подразумевает$\sim 5$раз больше массы, чем у звезд (т. е. по существу то же возражение, что и в задаче 2, но теперь интегрировано по Галактике). Газ может немного сократить этот разрыв, белые карлики/коричневые карлики вносят незначительный/незначительный вклад, но в конечном итоге нам все равно потребуется какой-то «темный» компонент, который доминирует в массе, пусть даже и не такой экстремальный, как модели псевдосферического гало темной материи. Даже если бы в 5 раз была обнаружена дополнительная барионная темная материя (газ, молекулярный материал, потерянные мячи для гольфа), это все равно оставляет проблему пунктов 1 и 2 - почему эта темная материя не следует за светящейся материей и почему она не выдает ее? наличие в кинематике объектов, перпендикулярных диску.

Проблема 4: Фенг и Галло не включают никаких обсуждений или рассмотрений более обширных популяций Млечного Пути. В частности, они не учитывают движения далеких шаровых скоплений, звезд-гало или галактик-спутников Млечного Пути, которые могут находиться на расстоянии 100-200 кпк от центра Галактики (например, Бхаттачарджи и др., 2014 ). На этих расстояниях любая масса, связанная со светящимся веществом в диске на$r \leq 15$kpc можно хорошо аппроксимировать, используя предположение Кеплера. Надлежащее их рассмотрение, по-видимому, предполагает гораздо большую минимальную массу Млечного пути независимо от каких-либо предположений о его распределении, хотя, возможно, и не во внутренних (светящихся) областях, где темная материя не доминирует и именно здесь проводится анализ F&G. . то есть упомянутый выше фактор «недостающей» массы в 5-10 может вполне согласовываться с тем, что другие говорят об общей массе диска и необходимой темной материи в пределах 15 кпк от центра Галактики (например , Кафле и др., 2014).). Другими словами, динамика этих очень далеких объектов требует большого количества массы в сферическом гало Млечного Пути, намного больше, чем светящаяся материя, и намного больше, чем было получено Фенгом и Галло. Например, Kafle et al. смоделируйте массу (правильно, используя уравнение Джинса) в виде сфероидальной выпуклости, диска и сферического (темного) гало, используя дисперсии скоростей звезд гало до 150 кпк. Они находят, что полная масса Галактики равна$\sim 10^{12} M_{\odot}$и около 80-90% приходится на сферическое темное гало. Однако это темное гало почти не дает вклада в плотность массы диска вблизи Солнца.

Проблема 5: (и, честно говоря, я думаю, что это выходит за рамки того, что делают Фенг и Галло) Фенг и Галло рассматривают эту проблему изолированно, не рассматривая, как их конкурирующие идеи могут повлиять на все другие наблюдения, которые небарионная темнота дело было привлечено к решению. А именно, динамика галактик в скоплениях, линзирование скоплениями, рябь реликтового излучения, структурообразование и изобилие первичного нуклеосинтеза, чтобы констатировать очевидные. Новая парадигма должна работать не хуже старой, чтобы считаться конкурентоспособной.

Фенг, Галло и другие до них задают вопрос, каково ожидаемое распределение массы, полученное из профиля вращения, если предположить, что материя полностью распределена в диске (т.е. в плоскости). Существует решение с плотностью, падающей примерно экспоненциально. Проблема в том, что он не следует закону плотности, который мы получаем из распределения света. Из распределения света, включая спектральную информацию от УФ до радио, мы знаем звездное распределение и распределение газа. Фенг и Галло обнаруживают более мелкое падение плотности. Другими словами, ему тоже нужен компонент «недостающей массы» (хотя и меньше, чем темная материя), но теперь он должен быть распределен в плоском диске. Это предпочтительно?

Затем возникает проблема, что это не поможет объяснить высокую дисперсию скоростей в группах и скоплениях. И, кроме того, это не поможет объяснить, как галактики и скопления образовались так быстро, учитывая, что плотность Вселенной изначально была очень однородной.