[論文レビュー] Classical analysis of the rotational dynamic of spiral galaxies

Eduardo López-Sandoval|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2008

Chemical and Environmental Engineering Research参考文献 6被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、滑らかな質量分布と星々の粒子的近似を用いて、渦巻銀河の回転力学を古典力学的モデルで提案する。観測された平坦な回転曲線は、ダークマターを仮定せず、標準的な重力理論と球対称または扁平な回転楕円体対称性を有する現実的な質量分布を用いることで再現可能である。

ABSTRACT

In this paper we study like a “stellar dynamic” model, the stars' rotational dynamics of spiral galaxies: with a distribution of its own mass, rotating around its centre (with a higher density), by means of a classical calculus we obtain the rotational velocities of a star around its rotation axis (center of the galaxy), considering that it is inside a smoothed distribution of matter. Two kinds of matter distribution are supposed: one with constant density, and other with radial and angular distribution. The stars are supposed to be particles and their distribution in the galaxy is modeled as a matter distribution inversely proportional to its distance from its centre. Two types of galaxy symmetry are also considered: spherical and oblate ellipsoidal. Using only classical mechanics arguments it is shown that the calculated velocity distribution inside a galaxy is similar to that obtained from astronomical observations, without the necessity of suppose the existence of dark matter or other phenomena.

研究の動機と目的

• ダークマター仮説に代わる古典力学的手法を用いて、渦巻銀河の回転力学をモデル化すること。
• 観測された平坦な回転曲線が、現実的な星々の質量分布から生じるかどうかを調査すること。
• 球対称と扁平な回転楕円体対称性の下での回転速度プロファイルを比較すること。
• 半径方向および角度方向の質量分布が回転速度曲線に与える影響を評価すること。
• 古典的重力理論のみを用いても、宇宙観測結果を再現できることを示すこと、非バリオン粒子を仮定する必要がないこと。

提案手法

• 星を連続的で滑らかな質量分布内に点粒子としてモデル化する。
• 質量密度を銀河中心からの距離に反比例するものと仮定する。
• ニュートンの重力と重力のガウスの法則を適用して、内部の重力場を計算する。
• 球対称および扁平な回転楕円体対称性の仮定を用いて、回転速度プロファイルを導出する。
• 古典的微積分と重力的平衡を用いて、半径の関数としての回転速度を求める。
• 得られた速度曲線を、渦巻銀河の観測された平坦な回転曲線と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的重力力学を用いても、ダークマターを仮定せず、渦巻銀河の平坦な回転曲線を再現できるか？
• RQ2 一定密度と半径・角度の変化を伴う質量分布モデルの違いが、回転速度プロファイルに与える影響は何か？
• RQ3 銀河の対称性（球対称対比して扁平な回転楕円体対称）が予測される回転速度に与える影響は何か？
• RQ4 逆距離依存の質量分布が、渦巻銀河内の星の運動をどの程度説明できるか？
• RQ5 古典的力学を単独で用いることで、非バリオン粒子を仮定せず銀河の回転を説明できるのか？

主な発見

• 計算された回転速度プロファイルは、渦巻銀河の観測された平坦な回転曲線と非常に近い一致を示す。
• 半径に反比例する質量分布は、大半の半径領域でほぼ一定の回転速度を生じさせ、観測結果と整合的である。
• 球対称と扁平な回転楕円体対称の両方の仮定から得られる回転速度の傾向は類似しており、モデルの頑健性を支持する。
• ダークマターの導入や追加の物理的メカニズムを必要とせず、観測された回転曲線の平坦性を再現できる。
• 現実的な星々の質量分布を用いた古典的重力理論は、観測誤差の範囲内で銀河力学を説明可能である。
• 結果から、ダークマターの必要性は、標準モデルで誤った質量分布を仮定した結果である可能性が示唆される。