Curba de rotație a unei galaxii poate fi reprezentat printr - un grafic care parcele viteza orbitală de stele sau gaz în galaxie pe Y axa în funcție de distanța față de centrul galaxiei pe X axa .
O regulă generală (sau lege) pentru rotația discurilor de particule rotative poate fi enunțată după cum urmează: galaxiile cu o distribuție uniformă a masei au curbe de rotație crescătoare de la centru la margini. Galaxiile cu un nucleu în centrul discului (linia B din figură) au o curbă de rotație orizontală și plană de la centru la margini, în timp ce sistemele în care cea mai mare parte a masei este concentrată în centrul discului lor de rotație (linie punctată) A din figura), cum ar fi sistemul planetar al Soarelui sau sistemul lunar al lui Jupiter, au o curbă de rotație descrescătoare de la centru la margini.
Se observă că unele stele se învârt în jurul centrului galaxiei lor cu o viteză constantă pe o gamă largă de distanță de centrul galaxiei. Putem calcula astfel că acestea se învârt în jurul unui disc de materie cu un miez central. Cele mai multe galaxii cu luminozitate scăzută a suprafeței (LSB, din limba engleză L ow S urface B rightness ) se rotesc într-o curbă de rotație crescândă de la centru la margini, indicând că au doar un nucleu slab. Iar stelele se rotesc mult mai repede decât dacă ar fi într-un potențial newtonian liber.
Problema cu rotația galaxiilor este diferența dintre interpretarea observată raportul luminanței-to-masa materiei în porțiunile de disc de galaxii spirale și raportul luminanței-to-masa materiei in miezul galaxiilor . În prezent, se crede că această diferență trădează prezența materiei întunecate care pătrunde în galaxie și se extinde în halou . O explicație alternativă constă în modificarea legilor gravitației, așa cum este propusă de teoria MOND (din engleză ( MO dified N ewtonian D ynamics , în franceză: Dynamique Newtonienne Modifie).
În 1959, Louise Volders a demonstrat că galaxie spirală M33 (The galaxiei Triangle ) nu centrifughează cum era de așteptat de la dinamica lui Kepler , un rezultat care sa extins la multe alte galaxii spirala in anii 1970. Bazat pe acest model, materialul (cum ar fi stele și gaz) în porțiunea de disc a unei galaxii spirale ar trebui să orbiteze în jurul centrului galaxiei în același mod în care planetele din sistemul solar orbitează Soarele, adică în conformitate cu legile mecanicii newtoniene. Pe această bază, ne-am aștepta ca viteza orbitală medie a unui obiect situat la o distanță specificată de majoritatea distribuțiilor de masă să scadă invers cu rădăcina pătrată a razei orbitei (linia punctată din figura 1). Când s-au descoperit diferențele, s-a crezut că cea mai mare parte a masei galaxiei trebuie să se afle în miezul galactic lângă centru. Direcția de rotație a fost determinată de modul în care s-a format galaxia.
Cu toate acestea, observațiile curbei de rotație a galaxiilor spirale nu confirmă acest lucru. Dimpotrivă, curbele nu scad așa cum era de așteptat în funcție de inversul pătratului, ci sunt „plate”; în afara nucleului central, viteza este aproape constantă în funcție de rază (linia continuă din Fig. 1). Explicația care necesită reglarea fină a legilor fizice ale Universului Este aceea a existenței unei cantități substanțiale de materie departe de centrul galaxiilor care nu emite lumină în raportul masă / lumină al miezului central. Astronomii sugerează că această masă suplimentară se datorează materiei întunecate din halou galactic , a cărui existență a fost inițial postulată de Fritz Zwicky cu aproximativ patruzeci de ani mai devreme în studiul său asupra maselor din grupurile de galaxii . Astăzi, există un mare număr de dovezi de observatie , care subliniază prezența materiei întunecate reci , iar existența sa este o componentă majoră a modelului ΛCDM care descrie cosmologia a Universului .
Lucrările recente privind curbele de rotație ale galaxiilor, al căror rol în convingerea existenței materiei întunecate a fost cel mai decisiv, prezintă unele dintre cele mai importante provocări ale acesteia. În anii 1990, studii detaliate ale curbelor de rotație ale galaxiilor cu luminozitate redusă a suprafeței (galaxii LSB sau din galaxiile englezești cu luminozitate redusă a suprafeței ) și poziția lor asupra relației Tully-Fisher au arătat că nu se comportă așa cum era de așteptat. Aceste galaxii trebuie să fi fost dominate de materia întunecată într-un mod surprinzător. Cu toate acestea, astfel de galaxii pitice dominate de materia întunecată ar putea deține cheia rezolvării problemei galaxiei pitice de formare a structurii .
Alte provocări ale teoriei materiei întunecate sau, cel puțin, celei mai populare forme a acesteia, materia întunecată rece (CDM pentru limba engleză a materiei întunecate reci), analiză principală a centrelor galaxiilor cu luminozitate redusă a suprafeței. Simulările numerice bazate pe CDM au oferit predicții ale formelor curbelor de rotație în centrul sistemelor dominate de materia întunecată, cum ar fi aceste galaxii. Observațiile curbelor de rotație efective nu au arătat formele prezise. Cosmologii teoretici consideră că această problemă numită Problema de concentrare a materiei întunecate reci este o problemă rezolvabilă.
Faptul că această teorie a materiei întunecate continuă să fie apărată ca explicație a curbei de rotație a galaxiilor se explică prin faptul că dovezile materiei întunecate nu derivă doar din aceste curbe. Este singura care simulează cu succes formarea unor structuri la scară largă care pot fi văzute în distribuția galaxiilor, precum și care explică dinamica grupurilor și grupurilor de galaxii (așa cum propusese inițial Zwicky). De asemenea, materia întunecată prezice corect rezultatele observațiilor lentilelor gravitaționale .
Există un număr limitat de încercări de a găsi explicații alternative la materia întunecată pentru a explica curbele de rotație ale galaxiilor. Una dintre cele mai discutate este teoria MOND (din engleză D ynamics N ewtonian Mo dified ), propusă inițial ca explicație fenomenologică din 1983, dar care s-a dovedit a avea o putere predictivă pentru curbele de rotație ale galaxiilor LSB. Aceasta presupune că fizica gravitației se schimbă la scări mari, dar până de curând nu a fost o teorie relativistă. Cu toate acestea, acest lucru s-a schimbat odată cu dezvoltarea teoriei gravitației Tensor-Vector-Scalar (TeVeS). O alternativă mai reușită este teoria gravitației modificate de Moffat ( MO difed G ravity, MOG), cum ar fi gravitația scalar-tensor-vector (STVG). Brownstein și Moffat au aplicat teoria MOG la întrebarea curbelor de rotație ale galaxiilor și au aplicat adaptările la un eșantion mare de peste 100 de galaxii LSB, precum și galaxii HSB (pentru High Surface Brightness, în franceză, suprafață de înaltă strălucire) sau galaxii pitice . Fiecare curbă de rotație a galaxiei a fost montată fără materie întunecată, folosind doar date fotometrice (materie stelară și gaz vizibil) și, alternativ, un model de distribuție a masei cu doi parametri care nu presupunea raportul masă / lumină. Rezultatele au fost comparate cu cele ale MOND și au fost aproape fără discriminare la limita datelor curbelor de rotație, în timp ce MOND a prezis o curbă de rotație etern plată și în timp ce MOG a prezis o revenire finală la legea forței gravitaționale pătrate. Deși aceste alternative nu sunt încă considerate de către comunitatea astronomică a fi la fel de convingătoare precum studiile modelului materiei întunecate ale lentilelor gravitaționale pot oferi mijloacele de a separa predicțiile teoriilor alternative ale gravitației de explicațiile materiei întunecate.