회전 곡선으로부터 은하 질량 추측
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작성자 타라곤 댓글 0건 조회 1,411회 작성일 12-06-14 00:05
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Gravity Applications 장 물체의 궤도 크기와 그 궤도를 도는 속도를 알면 중심 물체의 무게와 어떤 지점 주위로 궤도 운동을 하는 두 물체의 무게를 알 수 있다는 것을 회상하라. 같은 이론이 은하의 중력을 계산하는데에도 쓰일 수 있다!(중력이 놀랍지 않은가?) 이 경우에서는 관련된 두 개의 질량이 별의 질량과 별의 궤도 안에 있는 은하의 부분의 질량이다. 대부분의 궤도에서 궤도 안에 있는 은하의 질량은 별의 질량보다 훨씬 크고 따라서 별의 질량을 무시해도 된다.
별의 궤도 안의 은하의 부분으로부터의 중력은 별이 궤도를 돌도록 가속시킨다. 별을 잡아당기는 중력이 클수록 별은 더 빨리 움직인다. 중력 장에서의 질량과 궤도 속도간의 관계를 적용시키면 별의 궤도 안에 둘러싸인 질량 = (궤도속도)^2*(별에서 은하중심까지 거리)/G 이고 G는 중력 상수이다. 은하의 질량은 별들(또는 가스구름)의 궤도 속도와 그것의 중심으로부터의 거리를 구해 알아낼 수 있다.
은하 원반 속에 있는 별들과 수소 구름을 측정하는 것을 통해 천문학자들은 은하의 회전곡선을 만들었다. 이것은 별들(또는 가스구름)의 궤도 속도와 은하의 중심으로부터 그것들과의 거리간의 구상(?)이다. 회전곡선이라는 용어의 "회전"이라는 부분은 은하원반의 운동 전체를 의미한다. 사실은 각각의 별들과 구름이 중심을 도는 것임에도 불구하고 전체적으로는 은하원반이 회전하는 것으로 보인다. 회전곡선으로 중심으로부터 주어진 거리만큼 떨어진 곳 내부의 질량을 구할 수 있다. 너는 궤도의 크기가 변함에 따라 내부의 질량이 얼마나 변하는지를 봄으로써 은하 안에 질량이 어떻게 분포되어있는지를 알 수 있다.
rigid body 회전은 중심에 가까운 것처럼 보인다.(중심에 가까운 그 부분이 별들과 가스로 이루어져있지만 그것은 한 개의 물체로 회전하는 것처럼 보인다.) 그 다음에 곡선이 아래로 떨어지고 다시 상승한다. 그리고 결국엔 보는 것과 같이 평평해진다. 왜냐하면 중력은 거리가 멀어질수록 약해지기 때문에 볼 수 있는 은하의 바깥쪽의 별들은 대부분의 볼 수 있는 질량이 존재하는 곳에 가까운 별들보다 느리게 움직여야 한다. 대신에 대부분의 볼 수 있는 질량이 존재하는 곳에서 멀리 떨어져있더라고 그들은 같은 속도로 움직인다. 은하 안에는 우리가 볼 수 없지만 많은 양의 중력을 만들어내는 여분의 물질이 있어야한다. 은하는 너무 빨리 회전한다-볼 수 있는 물질은 은하를 유지할만한 충분한 질량을 가지고 있지 않다.
관측된 회전 곡선은 은하의 성분에 따라 각각 나뉘어질 수 있다 : 원반, 부푼 부분 + 별의 후광, 그리고 암흑물질이라 불리는 나머지 전체질량 - 그 물질은 어떠한 빛(적어도 그것은 아직 관측하기에 너무 어둡다)도 방출할 수 없지만 중요한 중력적인 영향을 끼친다. 그래프의 왼쪽에 있는 가장 높은 직선은 모든 은하의 요소가 혼합된 부분이다. "중배", 디스크, 그리고 어두운 고리모양의 물체) 회전 속도에 대해. 아래 그림에서, 어두운 고리 모양의 물체는 "코로나"라고 부른다. The other curves (dashed, dotted, and solid) are the contributions of the individual galactic components (the bulge + stellar halo = ``bulge'', disk, and the dark matter halo) to the rotational velocity. In the figure below, the dark matter halo is called the ``corona''.
오른쪽 그래프의 곡선은 주어진 거리내의 갇혀진 물체를 나타낸다. 만일 당신이 거리가 증가함에 따라 갇혀진 질량이(enclosed mass) 증가하지 않는 지점에 도달한다면 거기가 은하 질량의 끝부분이다. 은하 가장자리 너머에선, 회전 속도는 은하중심으로부터의 거리가 증가함에 따라 감소할 것이다. 위 두 그래프는 은하질량의 끝부분이 아직 발견되지 않음을 보여준다! 항성들, 우주 먼지, 그리고, 디스크의 가스와 별 주위의 훈륜(halo)은 모든 질량을 다 설명하지는 못한다. 은하의 나머지 질량은 암흑물질(the dark matter halo)이다. 은하질량의 90퍼센트는 이런 암흑물질 형태이다! 불행하게도, 만유인력은 거리와 질량에 의존하지 구성에 의존하지 않으므로 천문학자들은 암흑물질이 무엇으로 이루어 졌는지 모른다. 그것은 행성들, 갈색외성들(핵융합으로 빛을 내지 못하는 작은 별), 백색외성들, 블랙홀, 뉴트리노, 또는 아직 실험실에서 밝혀지지 않은 이상한 입자들의 형태 일 수 있다.
어떤 학생들은 이런 암흑물질에 대한 회의론을 나타낸 적이 있다. 과연 천문학자들은 충분히 "깊게" 생각해봤는가? 과학자들은 천성적으로 우주에대한 이해에 있어서의 근본적인 어떤 변화에도 회의적이다. 그러나, 현상 그리고 주의 깊은 관찰은 과학적 사실에 대한 유일한 판단 기준이며 우수한 과학자는 자연이 우리에게 말하고 있는 것에 따라야만 한다. 암흑물질이 존재한다는 결론은 기준되는 과학적 관찰, 해석 그리고 설명 방법에 의해 도출되었다. 역사를 되돌아보면, 암흑물질의 감지는 뉴턴의 만유인력 법칙의 또다른 활용이다. 해왕성이 직접 관찰되기 전 까진, 그것의 존재는 천왕성에 대한 중력 효과에 의해 알려졌을 뿐이다.(해왕성은 "암흑물질"이다.). 천문학자들은 별들의 괘도나 흔들거림을 그들의 동료들( 예, 행성들과 블랙홀 등). 태양계밖의 행성들과 블랙홀들은 기술적으로 암흑물질들이다. 그들은 그들 자체로는 희미하거나 보이지 않는다. 그러나, 그들은 그들 주위의 보이는 물체에 중력효과를 일으킨다. 다른 범위의 영역에서 살펴보면, 전자는 아무도 직접적으로 보지는 못했다, 그러나 당신은 그것이 존재하는 것을 안다, 그리고 그것은 우리의 전자공학이나 전기로써 우리 사회에 필수적이다.
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