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“暗物质质量公式”与“天文观测”一致

(2015-02-26 17:20:46)
标签:

暗物质

星系

银河系

常数

质点

 

“暗物质质量公式”与“天文观测”一致

 

杨明昆1,王严学2,杨昭国3

Email:ygyzg@126.com

 

       1.“暗物质质量公式”

       在星系内,存在只与“所在的质量中心O——星系中心附近的客观条件”(“宇宙旋转”的角速度ω、空间位置Φ)有关的“暗物质常数”K0和“位置常数”K1,并且,若设到星系中心O的距离为r的质点(天体)的运动速度大小为v,G为引力常数,则存在“暗物质质量”:M=K0vr2=(K1/G)vr2。即有“暗物质质量公式”:[1]

“暗物质质量公式”与“天文观测”一致   

 

“暗物质质量公式”与“天文观测”一致
图1

       2.“与天文观测一致”

       2.1.“暗物质常数”

       由于“暗物质常数”K0=K1/G =(2ωsinΦ)/G,与“位置常数”K1有关,在“不同的空间‘纬度’Φ”的地方,有“不同的暗物质常数”,但是在相比于“宇宙尺度”上,我们探测的“空间尺度”还是比较小的,因此K0的差别很小。可能正是这“很小的差别”,造成了宇宙微波背景辐射(CMB)温度的各向异性,影响了极化功率谱。

       2.2.“依附普通物质而存在”

       由M=K0vr2=(K1/G)vr2可以知道,“暗物质质量”M与质点速度有关,是由质点的运动速度形成的,是“质点的速度产生了‘暗物质效应’”。因此,可以说,“有物质”并且“物质有相对运动”的地方才有“暗物质”,所以“暗物质”总是“依附普通物质而存在”,并且速度越大表现越明显。

       暗物质并不是无所不在,它们只在某些地方聚集成团状,而对另一些地方却不屑一顾。其次,将星系的图片与之重叠,我们看到星系与暗物质的位置基本吻合。有暗物质的地方,就有恒星和星系,没有暗物质的地方,就什么都没有。[2]

 

“暗物质质量公式”与“天文观测”一致
图2

       下图中显示的是所谓的“旋转曲线示踪剂”,它常被用作银河系银盘的图片。这一示踪剂以蓝色和红色显示,这主要是由它们相对太阳的相对运动所决定的。球形对称的蓝色光晕显示了科学家们怀疑存在的暗物质。[3]

 

“暗物质质量公式”与“天文观测”一致
图3“旋转曲线示踪剂”

       2.3.“球状均匀分布”

       在“质量中心”的外侧,比如星系的外侧,中心质量的作用力越来越小,可以认为运动质点(天体)只受到“科里奥利力”的影响。这时候,近似地,满足v=K1r,v与r是“线性关系”。且有:M=K0vr2= K0K1r3,可以认为“暗物质质量”M是呈“球状均匀分布”的——“暗物质晕”,[4][5]并且离星系中心越远、越是在星系的外围表现越明显。比如,“暗物质”在“子弹星团”的外围——“大尺度”上“表现明显”(蓝色):相似的例子只发现于少数巨大星系团——只发生在存在巨大星系团时——也就是庞然大物相互撞击时。[6]

 

“暗物质质量公式”与“天文观测”一致
图4

       测量数据显示,两个矮星系的暗物质均匀地分布在横跨几百光年的较大区域中。[4][5]

       测量气体和恒星的旋转速率使得天文学家可以有效地“称重”宿主星系并确定它的整体质量。这些测量显示了可见物质只解释了整体物质的一小部分——主导物质是暗物质。将这一技术应用于银河系是可能的,众所周知银河系外围部分存在暗物质。[3]

       在此之前,科学家们一直认为将这一技术应用于银河系最内部区域是非常困难的,后者大约10万光年宽。现在慕尼黑理工大学的科学家发现了银河系最内部——包括地球所处的位置和我们自身的“宇宙邻居”——里暗物质存在的直接观测证据。[3]

 

“暗物质质量公式”与“天文观测”一致
图5 银河系最内端暗物质的证据

       他们首先创造了对有关银河系气体和恒星运动已发表的测量结果的最完整汇编。然后他们对比了测量到的旋转速率以及假设星系里只有最明亮物质存在时的旋转速率。对比结果清晰的显示了无法解释测量到的旋转速率,除非我们周围、我们之间以及星系中央存在大量暗物质。“我们知道银河系需要暗物质来保证恒星和气体以我们观测到的速率旋转。” 带领进行这项分析的慕尼黑理工大学的米格尔•帕特(Miguel Pato)博士这样说道。[3]

       2.4.“星系旋转速度曲线”

       如果“质量中心”的质量为m,天体Q到质量中心的半径为r,Q的速度大小为v,那么对v产生影响的因素有两个:一个是“普通物质质量”m,另一个就是上述的“暗物质质量”M。即有:v2=G(m+M)/r=Gm/r +GM/r。

       当v不大时,又在“质量中心”附近,由于“暗物质质量”M=K0vr2=(K1/G)vr2较小(相对于m来说),天体运动主要受到来自“普通物质质量”m的影响。

       “普通物质质量”m,可以产生“环绕速度”v=√Gm/r,使得星系外侧“旋转曲线下降”(红线)。

 

“暗物质质量公式”与“天文观测”一致
图6

       在“中尺度”上,“暗物质质量”M与“普通物质质量”m的共同影响下,使得星系外侧——“星系团”或“超星系团”等“中尺度”上,比如在银河系的中部或边缘部分,“旋转曲线平坦”(蓝线)。

       在“更大尺度”上,中心质量的作用力越来越小,由于v2=G(m+M)/r=Gm/r+GM/r中的Gm/r可以忽落不计视为0,于是v2=G(m+M)/r=Gm/r +GM/r≈GM/r,而M=K0vr2=(K1/G)vr2,所以v2≈GK0vr=G(K1/G)vr,即v≈GK0r=K1r。这时的“环绕速度的大小v”与“天体到星系中心的距离r”成正比。因此,天体的运动速度,在“更大尺度”上将是“上升”的。

 

“暗物质质量公式”与“天文观测”一致
图7

       2.5.星系在“一半球”顺时针旋转,而在“另一半球”逆时针旋转

       如果整个宇宙是在旋转的话,那么位于宇宙两个半球的星系必然存在不同的旋转方向。

       来自密歇根大学的研究人员Michael Longo与他的同事使用位于新墨西哥州阿帕奇顶峰的2.5米口径望远镜,即斯隆数字巡天(SDSS),研究宇宙中超过15000个星系后,在其提交的报告中叙述到:根据对星系的旋转方向的深入研究,不论是顺时针旋转还是逆时针旋转的螺旋星系,其旋转方向并不是随机的,而是可能由这个星系所在的宇宙半球所决定的。[7]

 

 

参考文献

[1]产生 “哈勃常数”的“空间条件”.(作者的另一篇文章).

[2]《暗物质》.百度百科 [引用日期2015-02-12] .

[3]科学家首次在银河系最内侧发现暗物质证据.凤凰科技.2015-02-11 [引用日期2015-02-21] .

[4]研究称宇宙暗物质均匀散布在星系之中而非聚集.搜狐网.2011-10-26 [引用日期2015-02-12] .

[5]观测结果推翻传统观念暗物质并非集中于星系中心.新华网.2011-10-19 [引用日期2015-02-12] .

[6]科学家在子弹星团发现暗物质证据.凤凰科技.2014-05-08 [引用日期2015-02-12] .

[7]宇宙或存在神秘自转轴.新华网.凤凰科技.2011-07-12 [引用日期2015-02-12] .

[8]相关资料请参考《“哈勃常数”与“空间封闭”

(杨明昆 王严学 杨昭国期待您的交流、讨论  ygyzg@126.com)

 

 

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