La curva de rotación de la galaxia es una función que describe las propiedades cinemáticas de la galaxia [1] y representa la dependencia de la velocidad orbital de las estrellas y el gas en la galaxia con la distancia al centro de la galaxia. La combinación de una gran cantidad de datos observados indica que la velocidad de rotación de las estrellas no disminuye a gran distancia del centro de las galaxias, como era de esperar de acuerdo con las predicciones de la dinámica kepleriana , que tienen en cuenta únicamente la masa visible. Actualmente se considera que esto es evidencia de la existencia de un halo de materia oscura en las galaxias , aunque se han propuesto explicaciones alternativas.
De acuerdo con los principios de la dinámica kepleriana , la materia (como estrellas o gas) en la parte del disco de las galaxias espirales debe girar alrededor del centro de la galaxia de manera similar a como los planetas del sistema solar giran alrededor del sol, es decir , de acuerdo con la mecánica newtoniana. En base a esto, uno esperaría que la velocidad orbital promedio de un objeto a cierta distancia de la distribución de masa más grande disminuyera inversamente con la raíz cuadrada del radio de la órbita (línea discontinua en la Fig. 1). En el período inicial de estudio de la dinámica de las galaxias espirales, se creía que la mayor parte de su masa debería estar en el bulto galáctico , cerca del centro de la galaxia.
En 1939, Horace Babcock en su disertación publicó la primera evidencia seria del comportamiento de la curva de rotación, que era radicalmente diferente de las predicciones: su curva de rotación de la galaxia de Andrómeda no decrecía inversamente con la raíz cuadrada, sino que estaba “inclinada” - fuera del bulto central, la velocidad prácticamente no dependía del radio. Un año después, Jan Oort obtuvo un resultado similar para la galaxia NGC 3115 . En la década de 1950, esta imagen fue confirmada por observaciones de radio más precisas de las galaxias M 31 y M 33 [ 2 ] [3] . Y en los años 70, este resultado se extendió a muchas otras galaxias espirales: el trabajo de Albert Bosma [4] , Vera Rubin y Kent Ford desempeñó un papel importante.[5] , Ken Freeman [6] y varios otros especialistas.
Un estudio adicional de las curvas de rotación de las galaxias de bajo brillo superficial (LSB) en la década de 1990 [7] y sus posiciones en la relación Tully-Fisher [8] mostró que no se comportan mal como se esperaba. Numerosas simulaciones numéricas basadas en "materia oscura fría" han predicho la forma de las curvas de rotación en las regiones centrales de los sistemas dominados por la materia oscura, como estas galaxias. Las observaciones de las curvas de rotación no mostraron la forma prevista [9] . Este llamado " problema del halo cúspide " se considera un problema serio en cosmología.
La explicación que requiere el menor cambio en las leyes físicas del universo es que a una gran distancia del centro de la galaxia existe una importante cantidad de materia, la cual se caracteriza por una relación “masa-luminosidad” diferente a la del protuberancia central. La hipótesis generalmente aceptada es que esta masa adicional en el halo es materia oscura , manifestándose sólo en la interacción gravitatoria . Su existencia ha sido asumida desde la primera mitad del siglo XX en los trabajos de Jan Oort , Fritz Zwicky y otros científicos. Por el momento, hay una gran cantidad de otras pruebas observables de la existencia de materia oscura, y es parte del modelo Lambda-CDM que describe la cosmología del universo.
Hay varias explicaciones alternativas de la materia oscura para las curvas de rotación de las galaxias. Una de las alternativas más discutidas es la teoría MoND ( dinámica newtoniana modificada ), propuesta originalmente en 1983 [10] como una explicación fenomenológica, incluso para las curvas de rotación de las galaxias de bajo brillo superficial . Esta teoría establece que la física de la gravedad cambia a gran escala. Inicialmente, no era relativista, pero posteriormente se propuso la teoría de la gravedad tensor-vectorial-escalar (TeVeS), un desarrollo relativista de MoND. Otra alternativa es la teoría de la gravedad modificada (MOG) de Moffat , también llamada teoría de la gravedad escalar-tensor-vectorial (STVG) [11] . John Moffat y Joel Bronstein lo usaron para resolver el problema de las curvas de rotación de galaxias y demostraron su aplicabilidad a una muestra de más de 100 galaxias de alto y bajo brillo superficial, así como galaxias enanas, y sus curvas de rotación de galaxias se explicaron usando MOG sin necesidad de involucrar la teoría de la materia oscura, utilizando únicamente los datos fotométricos disponibles (materia estelar y gas visible).
Mientras tanto, el modelo clásico de la materia oscura fría sigue siendo la explicación aceptada para las curvas de rotación de las galaxias, porque la evidencia de la materia oscura proviene no solo de estas curvas de rotación, sino también del modelado de la formación de una estructura a gran escala en la distribución de las galaxias . , observando la dinámica de los grupos y cúmulos de galaxias (como argumentó originalmente Fritz Zwicky ). La presencia de materia oscura también explica los resultados de la observación de lentes gravitacionales [12] .