Was sind die Argumente gegen die Erklärung der dünnen Scheibe von Feng und Gallo für galaktische Rotationskurven?

Feng & Gallo haben eine Reihe extrem ähnlicher Artikel veröffentlicht, die alle im Wesentlichen behaupten, dass sie einen großen Fehler in der Art und Weise „entdeckt“ haben, wie (einige) Astrophysiker über Rotationskurven denken. Anstatt Kugelsymmetrie anzunehmen, versuchen sie, die Massenverteilung zu lösen, indem sie eine Rotationskurve verwenden, ohne Kugelsymmetrie anzunehmen, stattdessen nehmen sie eine planare Geometrie mit zylindrischer Symmetrie an.

Natürlich haben sie einen Punkt; Aussagen, dass die flache Rotationskurve mit einer keplerschen Vorhersage verglichen werden kann (die Kugelsymmetrie annimmt oder dass die gesamte Masse im Zentrum konzentriert ist), sind zu einfach. So weit so gut, aber sie behaupten dann weiter, dass ihre Analyse mit der gesamten stellaren Masse von Galaxien kompatibel ist und dass dunkle Materie nicht erforderlich ist.

Also invertieren sie in ihrem planaren Modell (und das ist offensichtlich auch kritikwürdig) Rotationskurven, um eine radial abhängige Flächendichteverteilung zu erhalten, die pseudo-exponentiell abfällt.

Problem 1: Sie räumen ein (z. B. in Feng & Gallo 2011 ), dass „die Oberflächenmassendichte in Richtung der galaktischen Peripherie langsamer abnimmt als die Leuchtkraftdichte. Mit anderen Worten, das Masse-zu-Licht-Verhältnis in einer Scheibengalaxie ist keine Konstante". Das ist eine Untertreibung! Sie finden exponentielle Skalenlängen für die Masse, die etwa doppelt so groß sind (oder mehr für einige Galaxien) wie die Skalenlängen der Leuchtkraft, was eine enorme, unerklärliche Zunahme des durchschnittlichen Masse-zu-Licht-Verhältnisses der Sternpopulation mit dem Radius impliziert. Für die Milchstraße geben sie eine Skalenlänge der Leuchtkraft von 2,5 kpc und eine Skalenlänge der Masse von 4,5 kpc an, so die$M/L$Verhältnis geht als$\exp[0.18r]$, mit Radius in kpc (z. B. Zunahme um Faktor 4 zwischen 2 kpc und 10 kpc). Sie argumentieren, dass dies auf die Vernachlässigung des galaktischen Bulge in ihrem Modell zurückzuführen sein könnte, erklären jedoch überhaupt nicht, wie dies das Masse-Licht-Verhältnis auf so extreme Weise beeinflussen könnte.

Problem 2: Sie leiten in ihrem Modell eine Oberflächenmassendichte der Scheibe in Sonnennähe zwischen 150-200 ab$M_{\odot}/pc^2$. Am meisten ($\sim 90$%) der Sterne in der Nachbarschaft der Sonne sind "dünne Scheiben"-Sterne mit einer exponentiellen Höhenskala dazwischen$z_0= 100-200$Stk. Wenn wir davon ausgehen, dass die Dichteverteilung exponentiell zur Höhe über der Ebene ist und dass sich die Sonne in der Nähe der Ebene befindet (sie befindet sich tatsächlich etwa 20 Prozent über der Ebene, aber das macht kaum einen Unterschied), ergibt sich eine Gesamtflächenmassendichte von$\sigma = 200M_{\odot}/pc^2$impliziert eine lokale Volumenmassendichte von$\rho \simeq \sigma/2z_0$, was in Ordnung ist$0.5-1 M_{\odot}/pc^3$für den betrachteten Bereich möglicher Skalenhöhen. Die Gesamtmassendichte in der galaktischen Scheibe nahe der Sonne, abgeleitet aus der von Hipparcos beobachteten Dynamik der Sterne, ist eigentlich nur$0.076 \pm 0.015 M_{\odot}/pc^3$( Creze et al. 1998 ), was die Anforderungen von Feng & Gallo um eine Größenordnung unterschreitet . (Dies stört das kalte, nicht-baryonische Dunkle-Materie-Modell nicht, da die zusätzliche (dunkle) Masse nicht in der Ebene der Galaxie konzentriert ist).

Problem 3: Für die meisten abgeschnittenen Discs, die sie betrachten, mit einer Kante an$r=15$kpc ist die Gesamtmasse der Galaxie$1.1\times10^{11}\ M_{\odot}$(wieder aus Feng & Gallo 2011 ). Die Behauptung lautet dann, dass dies „in sehr guter Übereinstimmung mit der Sternenzahl der Milchstraße von 100 Milliarden steht (Sparke & Gallagher 2007)“. Ich würde nicht zustimmen. Angenommen, "Sterne" decken den gesamten stellaren Massenbereich ab, dann würde ich nicht von der 100-Milliarden-Zahl abweichen; aber die durchschnittliche Sternmasse beträgt ca$0.2\ M_{\odot}$(zB Chabrier 2003 ), so dies impliziert$\sim 5$mal so viel Masse wie in Sternen (dh im Wesentlichen derselbe Einwand wie Problem 2, aber jetzt über die Galaxie integriert). Gas könnte diese Lücke ein wenig schließen, Weiße Zwerge/Braune Zwerge leisten geringfügige/vernachlässigbare Beiträge, aber am Ende benötigen wir immer noch eine "dunkle" Komponente, die die Masse dominiert, wenn auch nicht so extrem wie die pseudosphärischen Halo-Modelle aus dunkler Materie. Selbst wenn um den Faktor 5 zusätzliche baryonische Dunkle Materie (Gas, Molekülmaterial, verlorene Golfbälle) gefunden würde, bleibt immer noch das Problem der Punkte 1 und 2 - warum folgt diese Dunkle Materie nicht der Leuchtmaterie und warum verrät sie deren nicht Existenz in der Kinematik von Objekten senkrecht zur Scheibe.

Problem 4: Feng & Gallo beinhalten keine Diskussion oder Berücksichtigung der ausgedehnteren Populationen der Milchstraße. Insbesondere berücksichtigen sie nicht die Bewegungen entfernter Kugelsternhaufen, Halosterne oder Satellitengalaxien der Milchstraße, die 100-200 kpc vom galaktischen Zentrum entfernt sein können (z . B. Bhattachargee et al. 2014 ). Bei diesen Abständen ist jede Masse mit der leuchtenden Materie in der Scheibe verbunden$r \leq 15$kpc kann unter Verwendung der Keplerschen Annahme gut angenähert werden. Eine angemessene Berücksichtigung dieser scheint auf eine viel größere Mindestmasse für die Milchstraße hinzuweisen, unabhängig von Annahmen über ihre Verteilung, wenn auch vielleicht nicht in den inneren (leuchtenden) Regionen, in denen dunkle Materie nicht dominant zu sein scheint und wo die Analyse von F&G stattfindet . Das heißt, der Faktor von 5-10 „fehlender“ Masse, auf den oben Bezug genommen wurde, kann ziemlich konsistent sein mit dem, was andere über die Gesamtmasse der Scheibe und die erforderliche dunkle Materie innerhalb von 15 kpc des galaktischen Zentrums sagen (z . B. Kafle et al. 2014). Anders ausgedrückt, die Dynamik dieser sehr weit entfernten Objekte erfordert eine große Menge an Masse in einem kugelförmigen Halo der Milchstraße, viel mehr als die leuchtende Materie und viel mehr als von Feng & Gallo abgeleitet. Kafle et al. modellieren Sie die Masse (richtigerweise unter Verwendung der Jeans-Gleichung) als eine kugelförmige Wölbung, eine Scheibe und einen kugelförmigen (dunklen) Halo, indem Sie die Geschwindigkeitsdispersionen von Halo-Sternen bis zu 150 kpc verwenden. Sie finden die Gesamtmasse der Galaxie$\sim 10^{12} M_{\odot}$und etwa 80-90 % befinden sich im sphärischen dunklen Halo. Doch dieser dunkle Halo trägt fast nicht zur Massendichte in der sonnennahen Scheibe bei.

Problem 5: (Und um fair zu sein, denke ich, dass dies den Rahmen dessen sprengt, was Feng & Gallo tun) Feng & Gallo behandeln dieses Problem isoliert, ohne zu berücksichtigen, wie sich ihre konkurrierenden Ideen auf alle anderen Beobachtungen dieser nicht-baryonischen Dunkelheit auswirken könnten Sache wurde zur Lösung gebracht. Nämlich die Dynamik von Galaxien in Haufen, Lensing durch Haufen, die CMB-Wellen, Strukturbildung und primordiale Nukleosynthesehäufigkeit, um nur die offensichtlichen zu nennen. Ein neues Paradigma muss mindestens genauso gut abschneiden wie das alte, um als wettbewerbsfähig zu gelten.

Feng und Gallo und andere vor ihnen stellen die Frage, was die erwartete Massenverteilung ist, die aus dem Rotationsprofil abgeleitet wird, wenn man annimmt, dass die Materie vollständig in der Scheibe (dh in einer Ebene) verteilt ist. Es gibt eine Lösung, bei der die Dichte ungefähr exponentiell abfällt. Das Problem ist, dass es nicht dem Dichtegesetz folgt, das wir aus der Lichtverteilung erhalten. Aus der Lichtverteilung inklusive spektraler Information von UV bis Radio kennen wir die Sternverteilung und die Gasverteilung. Feng und Gallo finden einen flacheren Dichteabfall. Mit anderen Worten, es braucht auch eine Komponente "fehlende Masse" (wenn auch weniger als Dunkle Materie), aber jetzt muss es in einer flachen Scheibe verteilt werden. Wird dies bevorzugt?

Dann gibt es das Problem, dass es nicht helfen würde, die Hochgeschwindigkeitsdispersion in Gruppen und Clustern zu erklären. Und obendrein wäre es nicht hilfreich zu erklären, wie sich Galaxien und Haufen so schnell gebildet haben, wenn man bedenkt, dass die Dichte des Universums zu Beginn so sehr gleichmäßig war.