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宇宙論と天体物理学

暗黒物質

銀河の回転曲線とダークマターハローの役割を調べます。ハロー質量を増やして曲線が平坦化するのを見て、Vc2(r)=GM(<r)/rV_c^2(r) = GM(<r)/r とケプラー的予測 Vc∝r−1/2V_c \propto r^{-1/2} を比較します。

発展

器具

  • ダークマターハロー付き渦巻銀河モデル
  • ハロー質量と視野角のスライダー
  • 回転曲線 V(r) のグラフと読み取り

手順

  1. 回転曲線を観察

    「ハロー質量」を低く（≈1）して V(r) 曲線を見ます。発光円盤の外側では、ほぼ全質量がその半径内にあるため速度は Vc∝r−1/2V_c \propto r^{-1/2} に近く減少します。読み取り欄でいくつかの半径の値を記録します。

  2. ハロー質量を増やす

    「ハロー質量」を徐々に上げ、外側で曲線が平らになるのを追います。M(<r)∝rM(<r) \propto r のハローでは Vc2=GM(<r)/rV_c^2 = GM(<r)/r より Vc≈V_c \approx 一定。3つのハロー設定で曲線の外端を比較します —— これが銀河における「ダークマターの証拠」です。

  3. 視野角を変えて総合

    「視野角」を動かして銀河を傾けたり側面から見たりします。ドップラー測定の速度は射影 vsin⁡iv\sin i なので、正面を向いた銀河では回転曲線が得られません。「一時停止」して予測します：もし暗黒物質が発光物質（暗い星・ガス）なら曲線は平らになるか？質量分布と光度分布が異なることを結論づけます。

シミュレーション

実験の歴史

1933年、フリッツ・ツヴィッキーはかみの毛座銀河団の銀河速度を測り、見える質量に対して速すぎることを発見。欠けた分を「dunkle Materie」（暗黒物質）と呼びました。この発見は数十年眠り、1970年代にヴェラ・ルービンとケント・フォードが数十個の渦巻銀河の回転曲線を測定。外縁の速度が下がらず平らなことから、質量は光よりはるか外に広がると分かりました。 独立な証拠が続きました。重力レンズ、宇宙マイクロ波背景放射のバリオン音響振動（WMAP、Planck）、レンズ質量が高温X線ガスからずれたブレット銀河団。Λ\LambdaCDM モデルでは物質の約85%が電磁気的に相互作用しないと推定され、地下検出器は今も暗黒物質粒子を探索中です。

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