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宇宙学与天体物理学

暗物质

星系旋转曲线提示存在不发光的引力成分；宇宙膨胀加速则提示具有负压的成分。两者的微观本质都尚未明了。

星系旋转曲线提示存在不发光的引力成分；宇宙膨胀加速则提示具有负压的成分。两者的微观本质都尚未明了。

Vc2(r)=GM(<r)/r.Asphericalhalowithρ∝r−2givesVc≈constant.V_c²(r)=GM(<r)/r. A spherical halo with ρ∝r⁻² gives V_c≈constant.

定义: 旋转曲线 V_c(r)

暗物质是通过引力效应而非光直接探测推断出来的：证据包括星系旋转曲线、引力透镜和结构形成。它不一定是黑洞，也不是已确认的某种特定粒子。

调整参数以观察物理关系。图示为示意图，并非天文尺度。

模型与观测

暗物质通过引力透镜、星系动力学和大尺度结构推断；它不等同于普通黑洞。暗能量是标准模型中驱动膨胀加速的成分，常以宇宙学常数Λ参数化。

例题: 快速估算

根据上面的关系预测改变一个参数后的趋势，再用模拟检验。

解答

固定其他量并使用公式。模拟用于展示趋势，不能替代真实数据或不确定度分析。

对于近圆轨道，向心力平衡给出 Vc2(r)=GM(<r)/rV_c^2(r)=GM(<r)/r。若大部分质量只在明亮星系盘内，外围速度会约按 r−1/2r^{-1/2} 下降；近乎平坦的旋转曲线提示发光区外仍有质量。这并非单独的证明：须建模倾角、距离、气体和恒星分布。引力透镜通过光线偏折提供独立探测，星系团和CMB则约束更大尺度上的暗物质含量。

标准模型中的冷暗物质电磁相互作用极弱，在结构形成时是非相对论性的；它的晕为星系提供引力骨架。轴子或弱相互作用大质量粒子等仍是候选假说，尚无确认的粒子探测。茨威基利用后发座星系团的动力学提出了缺失质量问题；爱因斯坦的引力理论框架支撑质量推断。检验候选者需结合直接搜寻、天文信号和模拟，同时不能把暗物质与暗能量混为一谈。

快速检测

模拟或公式最适合用来做什么？

对天文现象得出结论时应考虑什么？

参考文献

  1. Bradley W. Carroll and Dale A. Ostlie (2017). An Introduction to Modern Astrophysics