Galaxien-Drehgeschwindigkeit - Frage zu Dunkler Materie

@knopper
Ist ja nicht nur innerhalb der Galaxie DM drum rum wird natürlich auch vermutet, das ist einer gemittelten Massenverteilung in und ausserhalb Galaxiezentren geschuldet. Sprich einer gemittelten Verteilung von DM, die nach Aussen hin verdünnen sollte.

Dazu 2 Animas:
1. Links ohne.. 2. rechts mit vermuteter DM.
Links ohne, nimmt die Rotationsgeschwindigkeit im Aussenbereich ab.... da die Massenverteilung geringer wird...nach aussen hin abnehmend... somit auch die zu berücksichtigende Gravitationswirkung nach aussen, die norm im Quadrat abnimmt. Dies alles zusammen gesehen, würde die Aäusserenbereiche weniger "mit"-beschleunigen .... Der innere Kern drehte somit schneller als die äusseren Bereiche.

https://www.youtube.com/watch?v=rTHhMSE3DxA (Video: Galaxy_rotation_under_the_influence_of_dark_matter.ogv)

Hat sich aber aus Beobachtung gezeigt, (deswegen 2.), das eben die Randbereiche genauso schnell (wenn nicht schneller) rotieren wie der innere Bereich. Dafür brauchts mehr Masse/Gravitationspotential, um im gesamten Radius, die beobachtet, recht gleichmässige Rotationsgeschwindigkeit hinzubekommen...

Die Verteilung ist imho kompliziert zu Beschreiben (ich kanns nicht vlt. "Dr. Shipman" ;) ) und es braucht aufwendige N-Body simulations um der Sache auf die Spur zu kommen. (siehe den kleinen Knick in der rechten Rotationskurve zB.)


Natürlich müssen wir, wenn wir von DM ausgehen auch ausserhalb, im sog. Halo, DM vermuten. Der "gerechten Verteilung" wegen. Dazu folgendes Video:
https://www.eso.org/public/germany/videos/eso1217a/
Wie du siehst kommt es dort zu Netzartigen-Strukturen, fein verteilter DM Ansammlungen. Selbst-Ähnlich wie auch auf richtig Grossen-Skalen, die am Ende ganze Sternenkluster abbilden. S. zB. Milleniums Simu.

Noch tiefer kannst hier einsteigen gut erklärt, zwar auf Englisch, lässt sich aber lesbar ins deutsche übersetzen! (googel Übersetzer rechter Mausklick)
http://articles.beltoforion.de/article.php?a=spiral_galaxy_renderer&hl=en (Archiv-Version vom 05.03.2016)
Dort kommt die ganze Problematik die Rotationsgeschwindigkeiten/Kurven zum tragen.
Gute Seite, kurz und bündig.
NG

knopper schrieb:Wenn jede Menge dunkle Materie drum herum wäre, würden ja die Galaxien erst recht auseinander fliegen so rein vom logischen her, oder nicht?

Der DM-Halo ist nicht außen um eine Galaxie herum in dem Sinne, als hätte der Halo einen größeren Durchmesser als die sichtbare Galaxie. Gemeint ist ein Halo, welcher sich zu beiden Seiten der galaktischen Scheibe befindet. Mit Halo ist die Galaxie also dicker, nicht "ein größeres Rad".

Würde der Jupiter sehr viel mehr Masse in sich vereinen, sagen wir mal die halbe Sonnenmasse, würde der Jupiter nicht schneller um die Sonne kreisen als der sehr viel masseärmere reale Jupiter. Allerdings würde dann der Saturn eine größere Orbitalgeschwindigkeit besitzen. Eben weil sämtliche Materie, die sich innerhalb der Saturnbahn befindet, zur Gravitationsquelle gehört, welche seine Bahngeschwindigkeit bestimmt. Auch ein Halo zu beiden Seiten der galaktischen Scheibe hat diesen Effekt.

@perttivalkonen
Hoffe du weist das du keinen Falles gemeint warst!

Egal... man kanns auch gut verstehen... wenn man sich das "Gebundene Rotation" ´s Prinzip anschaut.

Noch eines.... btr. dem Halo betreff DM Angaben... nur innerhalb des Galaxieradiuses (bis zu seiner Grenze)... wäre ich vorsichtiger...
NG

@Z.
Ehrlich gesagt hatte ich zum Zeitpunkt des Beitragsschreibens Deinen noch gar nicht gelesen.

Z. schrieb:Noch eines.... btr. dem Halo betreff DM Angaben... nur innerhalb des Galaxieradiuses (bis zu seiner Grenze)... wäre ich vorsichtiger...

Ich wollte durchaus nicht sagen, daß es dort keine DM gäbe. Sondern nur, daß die DM, die die äußeren Bereiche der Galaxie schneller rotieren läßt, sich näher am galaktischen Zentrum befinden muß (wenn man die Galaxie zweidimensional als Scheibe betrachtet). Die weiter entfernte DM wird nicht für den Effekt schnellerer Rotation verantwortlich gemacht, was wie mir schien von knopper84 aber angenommen wurde (eben weil man bei Halo geneigt ist, vor allem an den außerhalb des Galaxienradius' zu denken).

@perttivalkonen
Was nicht gesehen??? ;)
Nun, auch DM außerhalb des "sichtbaren" Galaxieradius trägt imho dazu bei das die äusseren, tiefer zum Zentrum liegenden Zonen, mit annähernd gleicher v rotieren wie das Zentrum...

Besonders deutlich wird das wenn wir dort draussen nicht von stark verklumpter DM, sondern von "Stäuben" ausgehen.
Dann wäre eine sich weitaus des Radius erstreckende DM-Wolke....notwendig.
Deswegen sprach ich die Verteilung an, die mir noch nicht klar vor Augen ist.
NG

Nun, auch DM außerhalb des "sichtbaren" Galaxieradius trägt imho dazu bei das die äusseren, tiefer zum Zentrum liegenden Zonen, mit annähernd gleicher v rotieren wie das Zentrum...

Und imho nicht.

Ein stabiler Orbit setzt sich klassisch-physikalisch aus zwei Kräften zusammen, aus der in Richtung Massezentrum wirkenden Gravitationskraft sowie aus dem bereits vorhandenen nach Geradlinigkeit und damit weg von der Gravitationsquelle strebenden Bewegungsimpuls. Beide zusammen bewirken den stabilen Orbit gleichbleibender Orbitalgeschwindigkeit.

Kommt nun noch die Gravitationskraft von außerhalb des Orbits befindlichen Gravitationsquellen hinzu, idealerweise sphärisch (oder ringförmig) angeordnet, bedeutet dies, daß die Gravitationskraft aus dem Gravitationszentrum im Innern um die Größe der von außen her wirkenden Gravitationskraft gemindert wird, sodaß ein stabiler Orbit nur mit einer geringeren Eigengeschwindigkeit des orbitalen Objektes möglich ist.

Vielleicht reicht die klassische Physik eines euklidischen Raumes ja trotz c-ferner Geschwindigkeiten nicht aus, diesen Sonderfall des Mehrkörperproblems zu erklären/beschreiben. Aber das zu akzeptieren bräuchte ich dann doch schon wenigstens nen Erkläransatz für.

@perttivalkonen
Hallo mein lieber.
Wikipedia: Milchstraße#Galaktischer Halo

Galaktischer Halo

Umgeben ist die Galaxis vom kugelförmigen galaktischen Halo mit einem Durchmesser von etwa 165.000 Lichtjahren (50 kpc), einer Art von galaktischer „Atmosphäre“. In ihm befinden sich neben den etwa 150 bekannten Kugelsternhaufen nur weitere alte Sterne, darunter RR Lyrae-Veränderliche, und Gas sehr geringer Dichte. Ausnahme sind die heißen Blue-Straggler-Sterne. Dazu kommen große Mengen Dunkler Materie mit etwa 1 Billion Sonnenmassen, darunter auch so genannte MACHOs. Anders als die galaktische Scheibe ist der Halo weitgehend staubfrei und enthält fast ausschließlich Sterne der älteren, metallarmen Population II, deren Orbit sehr stark gegen die galaktische Ebene geneigt ist. Das Alter des inneren Teils des Halo wurde in einer im Mai 2012 vorgestellten neuen Methode zur Altersbestimmung vom Space Telescope Science Institute in Baltimore mit 11,4 Milliarden Jahren (mit einer Unsicherheit von 0,7 Milliarden Jahren) angegeben. Dem Astronomen Jason Kalirai vom Space Telescope Science Institute gelang diese Altersbestimmung durch den Vergleich der Halo-Zwerge der Milchstraße mit den gut untersuchten Zwergen im Kugelsternhaufen Messier 4, die im Sternbild Skorpion liegen.[9]

Nun das die 1 Billion Sonnemassen geschätze DM (anteilig einiges ausserhalb..hab keinen Boch zu rechnen) im Halo sich gravitativ nicht Auswirken sollte...wäre imho schwer hinzubekommen.
"Staubfrei" meint nicht unbedingt die DM...da wir die noch schwerer sehen könnten... als andere Stäube... so denk ichs mir.

Bin etwas genervt :D (nich von Dir)
HG Z.

Z. schrieb:Nun das die 1 Billion Sonnemassen geschätze DM (anteilig einiges ausserhalb...hab keinen Boch zu rechnen) im Halo sich gravitativ nicht Auswirken sollte...wäre imho schwer hinzubekommen.

Du weißt aber schon, dass die Gravitation in einer Hohlkugel null ist, oder? Wenn die DM kugelförmig verteilt ist (ist sie), dann hat die äußere Masse keinen Einfluss auf die innere. Da muss man nicht mal rechnen, um das einzusehen.

@Z.
Hallo ebenso.

Mir ist schon klar, daß der baryonische Halo sich so verteilt; daß er weitgehend staubfrei ist, hätt ich so direkt jetzt nicht sagen können; daß er es weit mehr ist als die Galaxis, hingegen schon, da der Halo eben bereits extragalaktisch ist. Hätte aber noch nen Unterschied zu der Staubfreiheit des intergalaktischen Raumes jenseits des Halos erwartet.

Der baryonische galaktische Halo ist es aber sowieso nicht, der uns interessiert, sondern der aus DM bestehende Halo. Eben jener mit der Billion Sonnenmassen. Kann man da auch sagen, daß dieser weitgehend, äh, dunkelstaubfrei ist und fast nur aus DM-Sternen der älteren, metallarmen Dunkelpopulation Dunkel-II besteht?

Z. schrieb:Nun das die 1 Billion Sonnemassen geschätze DM (anteilig einiges ausserhalb..hab keinen Boch zu rechnen) im Halo sich gravitativ nicht Auswirken sollte...wäre imho schwer hinzubekommen.

Ich hab ja auch nicht gesagt, daß sie sich nicht auswirken würde. Ich sagte nur, daß jener gravitative Einfluß, der eine Orbitalgeschwindigkeit hoch ausfallen läßt, der gravitative Einfluß von innerhalb der Umlaufbahn ist. Jener gravitative Einfluß von außerhalb macht eine Orbitalgeschwindigkeit nur langsamer (aber ein Einfluß ist das dennoch).

Ich bleibe dabei, die höhere (höher als baryonisch zu erwarten) Umlaufgeschwindigkeit der baryonischen Objekte des äußeren Milchstraßenbereichs wird verursacht von DM, die sich innerhalb dieses Orbits befindet.

LeviaX1 schrieb:Du weißt aber schon, dass die Gravitation in einer Hohlkugel null ist, oder? Wenn die DM kugelförmig verteilt ist (ist sie), dann hat die äußere Masse keinen Einfluss auf die innere. Da muss man nicht mal rechnen, um das einzusehen.

In der Tat, das hatte ich bei meiner Überlegung im Vorpost glatt zu berücksichtigen vergessen. Der gravitative Einfluß sphärisch verteilter Materie außerhalb eines Orbits auf ein Objekt dieses Orbits vermindert den vom gravitativen Einfluß durch die Materie innerhalb des Orbits nicht, sondern hebt sich (bei gleichmäßiger sphärischer Verteilung) selbst auf, sodaß die Orbitalgeschwindigkeit ausschließlich von der Materie innerhalb des Orbits abhängt. (Bei ringförmiger Verteilung sähe das ein bisserl anders aus; aber wie ich schon schrieb, der galaktische Halo ist eben nicht auf die galaktische Scheibe begrenzt.)

hmm und nur noch mal kurz zum Verständnis...dunkle Materie zählt eindeutig nicht zu "baryonischer Materie", oder?

@knopper
Genau. Baryonische Materie ist alle sichtbare Materie, die im Standardmodell der Teilchenphysik erfasst ist.

die astronomen haben aber einen sprachtrick angewandt, dunkle materie ist halt dunkel, es muss nicht unbedingt exotisch sein. daher nicht baryonisch ist eine annahme.

die berechnete DM des andromedanebels ist ca. 1-1,5 der sichtbaren masse. aufgrund des kürzlich neuvermessenen halo, dessen massen sich verzigtfach haben, hat sich noch keiner gewagt, dessen DM neuzubestimmen, da nur in der ebene zur andromedascheibe das halo vermessen wurde. ich gehe aber davon aus, dass es der postulierten DM-masse entspricht, dann kann man sich den dm-ansatz sparen. ;)

der fred wurde von mir eröffnet, da ich meinen ansatz mit der verzehrung der raumzeit falsifiziert haben wollte. mir ist auch klar, es gibt genug helle köpfe da draussen, die sich damit befassen - und paar dunkle die es gerne heller haben wollen ;)

deckard2029 schrieb:die astronomen haben aber einen sprachtrick angewandt, dunkle materie ist halt dunkel, es muss nicht unbedingt exotisch sein. daher nicht baryonisch ist eine annahme.

Doch, denn dunkle Materie koppelt nicht an die elektromagnetische Wechselwirkung d.h. an das elektromagnetische Quantenfeld und tauscht daher keine Photonen aus. Baryonische Materie hingegen tut dies.

@perttivalkonen
Moin

Nun mir ging eben folgendes durch den Kopf.. apropo Verteilung.
Innen und Aussen der Scheibe sollen sich soweit ich denke, je ca. 1 Billion Sonnemassen befinden.
Rechnen wir das auf QLJ um (Scheibe r 55 d 9 LJ und Halo 165 LJ gemittelte Faktoren) bekomme ich ein Verhältnis von ca.
1/27. Dh. im Volumen der Scheibe befände sich 27 mal dichter angeordnete DM als im Volumen des Halos. (Das Scheiben-Vol. wurde dabei vom Halovolumen abgezogen)

In so fern wäre die DM Dichte/Verteilung ausserhalb im Halo gravitativ sozusagen zu vernachlässigen.

Anders sieht es aus wenn ich nicht von einer homogenen Verteilung im Halo ausgehe.
Der tragende Gedanke wäre, das sich die DM Verteilung in der galaktischen Scheibe einfach nach aussen hin, hinein ins Halo, fortsetzt. Dh. das die DM im Halo nicht angehend Homogen sondern Ringförmig um die Scheibe verteilt ist.
Hohlzylindervolumen sozusagen.

Rechne ich das kurz erhalte ich ein Dichte-Verhältnis von "nur noch" 1/1.25
Dh. nur eine geringe Schwankung in der Verteilung sollte sich die DM Scheiben-(Ring)-förmig fortsetzen.
Rein theoretisch natürlich.... könnte man sich die Verteilung der DM bis an den Rand des Halos, wie eine Platte vorstellen.
Dabei würde die DM im äusseren Bereich mehr od. weniger gleichförmig mitrotieren.

Die Sterne entsprächen nur kleinen G-Schwankungen auf der sonst recht homogen Scheibenförmig verteilten DM-Platte.

Das waren so meine Gedanken... wenn ein User aber nun sagt DM apriori Kugelförmig verteilt.... ;) muss man natürlich von einer Verteilung im Halo, also von Dichteschwankungen auf Volumen bezogen von ca. 1/27 innen aussen ausgehen... das machts dann einfacher...
NG

hmmm und nur mal n kurzes Gedankenexperiment zur DM, was mir grade so durch den Kopf geht. Nur mal so zum Spassss. :)

Es heißt ja sie hat keine elektromagnetische Wechselwirkung, was sol viel heißt man könnte sie nicht anfassen. Sprich man würde sie ja komplett nicht spüren.
Das einzige worüber DM wechselwirkt...ist, welche Wunder, die Gravitation.

Nehmen wir nun mal bspw. eine komplett Erde aus DM. Also schön als Kugel geformt, ca. die gleiche Masse und Größe.

Was würde nun passieren wenn man auf diese DM-Erde fällt? Würde man aufschlagen? oder durch sie hindurchfallen?
Was würde vermutlich passieren?

@knopper
Was du wohl wissen möchtest ist, was passieren würde, wenn du durch die Erde fielst ohne sie zu fühlen (denn DM formt keine derartigen Körper wie die Erde). Wenn du durch ein Loch durch die Erde fallen würdest, würdest du einfach hin und her oszillieren. Die Fallzeit von einer Seite zur anderen beträgt 38 Minuten und ~10,78 Sekunden nach meiner eigenen Rechnung auf Grundlage von PREM (der echten Dichteverteilung der Erde). Es findet sich im Netz allerdings überall eine Zeitangabe von 42 Minuten, was allerdings falsch ist, weil dieses Ergebnis auf der Rechnung mit einer Erde konstanter Dichte basiert. Die Antwort auf deine Frage ist also ausnahmsweise einmal nicht 42 ;)

Laut Wiki besteht die sichtbare Milchstraße aus 0,4 Billionen Sonnenmassen, und so kannte ich das auch (weswegen 100...400 Milliarden Sterne geschätzt werden). An DM sollen dann noch 1 Billion Sonnenmassen hinzukommen.

Hier
https://www.dpg-physik.de/veroeffentlichung/physik_konkret/pix/Physik_Konkret_16.pdf (Archiv-Version vom 06.07.2016)
findet sich folgende Graphik:

Original anzeigen (0,3 MB)

Bis ca. 20.000 ly vom Zentrum stimmt die berechnete und die gemessene Umlaufgeschwindigkeit der galaktischen Objekte sehr überein. Hier scheint die DM so gut wie keine Rolle zu spielen. Ab da driften beide Werte deutlich auseinander; die DM spielt weiterhin eine untergeordnete, aber dennoch eine spürbare Rolle. In nicht ganz 25.000 ly vom Zentrum legt der Anteil der DM deutlich zu, während ab etwas mehr als 30.000 ly Entfernung bis mehr als 35.000 ly die gemessene Orbitalgeschwindigkeit so abnimmt, als käme in diesem Bereich kaum mehr neue DM hinzu. Ab dieser Entfernung kommt verglichen mit der sichtbaren Materie im Innern dieses Radius' kaum noch neue sichtbare Materie hinzu. Die gemessene Umlaufgeschwindigkeit aber zeigt, daß in den nächsten 15.000 ly wieder enorme Mengen DM hinzukommen müssen Auf den nächsten 10.000ly müssen erneut spürbare Mengen DM hinzukommen, weil laut Grafik dortige sichtbare die Galaxis umlaufende Objekte mit zunehmender Entfernung keine nennenswerte Verlangsamung der Umlaufgeschwindigkeit erfahren.

Der Halo, der hier im Bild mit ner Strichellinie eingezeichnet scheinbar nur bis knapp 50.000 ly vom Zentrum gerechnet ausgreift, ist laut Wikipedia aber bis in 165.000 ly vorhanden. Womöglich ist er hier nahezu vollständig aus DM gebildet, innerhalb dieses Radius' dagegen mehrheitlich von sichtbarer Materie.

Jedenfalls wenn ich diese Grafik richtig interpretiere.

Insofern würde ich Deiner Rechnung und Deiner gefolgerten BM-DM-Verteilung widersprechen. Unsere Sonne liegt in etwa an der Grenze jenes Bereiches im Innern, bei dem die DM in bereits deutlich meßbarer, aber noch immer geringfügiger Menge vorkommt, und jenem Bereich außen anschließend, in dem dieser DM-Anteil deutlich zunimmt, bevor er dann relativ zur BM sogar erkennbar geringer wird.

Z. schrieb:In so fern wäre die DM Dichte/Verteilung ausserhalb im Halo gravitativ sozusagen zu vernachlässigen.

Wie an der geradezu stabil bleibenden Orbitalgeschwindigkeit sichtbarer extragalaktischer Halo-Objekte zu sehen ist, legt die DM hier beeindruckend zu., die BM hingegen so gut wie gar nicht (im Vergleich zur Galaxienmasse)

@perttivalkonen
Hi..

Ich bringe das nochmal etwas lesbarer und auch mit den entsprechen Werten.
Mit den zuerst 2 Bil. SO meinte ich ausschliesslich DM.
Die 400 Mrd SO BM, hatte ich gar nicht beziffert und so angeordnet....

Z. schrieb:Die Sterne entsprächen nur kleinen G-Schwankungen auf der sonst recht homogen Scheibenförmig verteilten DM-Platte.

Es ist ein wenig die Krux in den allg. Massenangaben, in älteren Modellen gehts Gesamtmasse bis 2-3 Bil. SO inkl allem,
Halo und Scheibe, DM, BM etc. Das schwankt bis gesamt 1.4 Bil. SO in späteren Modellen.
"Dann hättest du sozusagen korrekte aktuelle Daten".
Ich werde das nochmal nachschlagen...

Auch wenn es nicht sooo wichtig für mein Anliegen ist, da ja die DM-Verteilung nur gemittelt werden soll.
Ob 1 od. 2 Bil gesamt nur DM wäre dann unerheblich.
Aber wir wollen ja möglichst exakt sein ;)

Die Massen waren natürlich erstmal nur homogen über die jeweiligen Volumen verteilt und es wurden keine Zonen berücksichtigt. Wollte zunächst eine Statistische DM Verteilung übers ganze Halo und dann versuchen eine spezifische Verteilung im Halo zu erörtern. Da das Halo (O) wesentlich mehr Volumen als die Scheibe (-) hat, müsste die Verteilungsdichte im Halo norm stark abnehmen! Wie berechnet.

Deswegen habe ich im zweiten Schritt, statt die DM übers ganze Halo zu verteilen, einen Hohlzylinder gerechnet, der die Scheibe umgibt. Randstärke 27.5 T LJ / Radius 82.5 T LJ / gleiche Höhe wie die Scheibe, deren 55 T LJ Radius sozusagen innen den Hohlzylinder (Dichterverhältnis DM dann 1/1.25) ausfüllt.
Eben statt die DM über die gesamte Sphäre des Halos zu verteilen (Dichteverhältniss nur 1/27).

Also ich komm nochmal mit allen Zahlen und ner Grafik ...
Vielen Dank für deine Mühen.
NG

@LeviaX1

LeviaX1 schrieb:denn DM formt keine derartigen Körper wie die Erde

Warum tut sie das nicht? Und wie muß ich mir die Verteilung derDM generell vorstellen?

@ornis
Einmisch..aber nur kurz.
Dunkle Materie soll hauptsächlich in Partikelform an liegen.
Auf grossen Skalen verklumpt sie zwar (keiner weis wirklich warum) aber im kleinen und ganzen sträubt sie sich zu verklumpen.
Das scheint daran zu liegen das die DM Wärmestrahlung nicht über Photonen verlieren/abgeben kann. Sie kühlt nicht wirklich ab, was die Verklumpung behindert, BM kann das und verklumpt somit einfacher.

Dadurch das sie mit EM-Strahlung nicht wechselwirkt, wird derer kinetische Energie zB. auch nicht durch evtl. Strahlung gebremst oder beeinflusst. Weist ja im Photon steckt auch kinetische Energie. Dadurch ist sie dynamischer als BM, sozusagen immer in Bewegung, welches wiederum gegen Verklumpung spricht.....

Aber alles Laiensicht...
NG