منحنى دوران مجرة
التاريخ

في عام 1932، أصبح هندريك يان أوت أول من يسجل قياسات النجوم في السحابة البينجمية المحلية مشيرًا إلى أنهم تحركوا بسرعة أكبر من المتوقع عندما افتُرض توزيع الكتلة بناءً على المادة المرئية، لكن هذه القياسات كانت خاطئة كما ظهر في ما بعد. في عام 1939، سجل هوراس بابكوك في أطروحته للدكتوراة قياسات منحنى الدوران لأندروميدا والذي اقترح أن نسبة الكتلة-إلى-الضوء تزيد قطريًا. نسب ذلك إلى امتصاص الضوء خلال المجرة أو إلى الديناميكا المعدلة في الجزء الخارجي من حلزونية المجرة وليس إلى أي شكل من المواد المفقودة. اتضح أن قياسات بابكوك تختلف بعمق مع البيانات الحديثة والتي نشرها في عام 1957 هينك فان هولست وزملاؤه، الذي درس M31 باستخدام تليسكوب 25 متر في دوينجيلو. أظهرت ورقة مقارنة نشرها مارتن شميت أن منحنى الدوران ربما يكون لائقًا بتوزيع الكتلة المسطحة بصورة أشد من الضوء. في عام 1959، استخدم لويس فولدرز نفس التليسكوب لإيضاح أن المجرة الحلزونية M33 لا تدور كما نتوقع أيضًا طبقًا لقوانين كيبلر للحركة الكوكبية.
وعن مجرة المغزل، كتب يان أوت أن «توزيع الكتلة في النظام يظهر أنه لا يرتبط بالضوء... يجد المرء أن النسبة بين الكتلة إلى الضوء في الأجزاء الخارجية من مجرة المغزل بنحو 250». في صفحة 302-303 من مقاله بالمجلة، كتب «يظهر أن النظام الضوئي المكثف بقوة مضمن في كتلة أكبر، وأقل أو أكثر تجانسًا ولها كثافة عالية» كما أنه يميل للاعتقاد أن هذه الكتلة ربما تكون نجوم شديدة الخفوت وقزمة أو غاز نجمي وغبار، ولكنه تعرف بوضوح على هالة المادة المظلمة لهذه المجرة.
في آخر ستينات وأول سبعينات القرن الماضي، عملت فيرا روبين، رائدة الفضاء في قسم المغناطيسية الأرضية في معهد كارينجي في واشنطن، عملت مع المطياف البصري الحساس الجديد والذي يمكنه قياس سرعة المنحنى على حافة المجرات الحلزونية بدرجة أكبر من الدقة عن أي قياس حققناه من قبل. ومع الزميل كينت فورد، أعلنت روبين في اجتماع عام 1975 للجمعية الفلكية الأمريكية اكتشاف أن معظم النجوم في المجرات الحلزونية تدور بنفس السرعة تقريبا، وأن هذا ينطوي على أن كتل المجرة تكبر خطيًّا مع القطر بمعزل عن موقع معظم النجوم (انتفاخ المجرة). قدمت روبين نتائجها في ورقة بحثية مؤثرة عام 1980. اقترحت هذه النتائج أن قوانين الجاذبية النيوتنية لا تنطبق كونيًّا، أو أن، ما يصل إلى 50% من كتلة المجرات تحتوي عليه هالة المادة المجرية المظلمة النسبية. ثبتت صحة نتائج روبين خلال العقود المنصرمة، بالرغم من أنها قوبلت ببعض الريبة في البداية.
إذا افترضنا أن ميكانيكا نيوتن صحيحة، فإنه يلزم أن تكون معظم كتلة المجرة موجودة في انتفاخ المجرة بالقرب من المركز وأن النجوم والغاز في الجزء القرصي يجب أن تدور حول المركز بسرعات متناقصة مع المسافة القطرية من مركز المجرة.
لا ينطوي رصد منحنى دوران المجرات الحلزونية على ذلك. ولكن، المنحنيات لا تقل في الجذر التربيعي المعكوس المتوقع للعلاقة ولكنه «مسطح»؛ أي أنه خارج الانتفاخ المركزي ثابت تقريبا (الخط الصلب في الشكل 1). كما أنه من الملاحظ أن المجرات التي لها توزيع متساوي للمادة المضيئة تمتلك منحنى دوران يرتفع من المركز إلى الحافة، ومعظم المجرات ذات السطوع السطحي المنخفض لها نفس منحنى الدوران الشاذ.
ربما يمكن شرح منحنى الدوران بافتراض وجود كمية معتبرة من المادة المتخللة للمجرة خارج الانتفاخ المركزي والتي تشع الضوء بنسب الكتلة-إلى-الضوء للانتفاخ المركزي. سُميت المادة المسئولة عن الكتلة الإضافية «المادة المظلمة»، والتي اقتُرح وجودها للمرة الأولى في ثلاثينات القرن الماضي، واقترح وجودها يان أوت في قياساته عن ثوابت أوت وفريتز زفيكي في دراساته عن كتل التجمعات المجرية.
يُعتبر افتراض وجود المادة المظلمة الباردة سمة أساسية لنموذج لامبدا-سي دي إم حيث يصف علم الكونيات الخاص بالكون.