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宇宙学与天体物理学

暗物质

探究星系旋转曲线与暗物质晕的作用。增大晕质量观察曲线变平，比较 Vc2(r)=GM(<r)/rV_c^2(r) = GM(<r)/r 与开普勒式预言 Vc∝r−1/2V_c \propto r^{-1/2}。

进阶

器材

  • 含暗物质晕的旋涡星系模型
  • 晕质量与视角滑块
  • 旋转曲线 V(r) 图与读数栏

实验步骤

  1. 观察旋转曲线

    把"晕质量"设低（≈1），观察 V(r) 曲线：在发光盘之外，由于大部分质量已在该半径以内，速度近似按 Vc∝r−1/2V_c \propto r^{-1/2} 下降。从读数栏记录几个半径处的值。

  2. 增大晕质量

    缓慢增大"晕质量"，看曲线在外缘逐渐变平。对于 M(<r)∝rM(<r) \propto r 的晕，由 Vc2=GM(<r)/rV_c^2 = GM(<r)/r 得 Vc≈V_c \approx 常数。比较三种晕设置下曲线外端的取值——这正是星系中"暗物质证据"。

  3. 改变视角并总结

    拖动"视角"滑块看星系倾斜或侧向：多普勒测得的速度是投影 vsin⁡iv\sin i，正面朝我们的星系无法给出旋转曲线。点"暂停"并预测：若暗物质是发光物质（暗星、气体），曲线会变平吗？结论：质量分布与光度分布不同。

模拟

实验历史

1933年，弗里茨·兹威基测量了后发座星系团中星系的速度，发现其运动快于可见质量所能解释的——他把缺失部分称为"dunkle Materie"（暗物质）。这一发现沉寂数十年，直到薇拉·鲁宾与肯特·福特（20世纪70年代）测量数十个旋涡星系的旋转曲线：外缘速度不降反平——质量必然延伸得远比光远。 随后出现独立证据：引力透镜、宇宙微波背景中的重子声学振荡（WMAP、Planck），以及子弹星系团显示（透镜测得的）质量与X射线热气分离。Λ\LambdaCDM 模型现估计约85%的物质不参与电磁相互作用；地下探测器仍在搜寻暗物质粒子。

相关物理学家

Albert Einstein

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