銀河の回転曲線問題
銀河の回転曲線問題(ぎんがのかいてんきょくせんもんだい、英: galactic rotation curves problem)とは、1980年代に明らかになった天文学の問題の一つである。"flat rotation curve problem" などとも呼ばれる。
分光観測によって銀河の回転曲線(銀河中心からの半径に対して各位置での回転速度の大きさをプロットした曲線)を求めてみると、その銀河の「目に見える」(電磁波を放射・吸収している)物質分布から想定される回転速度とは大きく異なり、銀河の中心からかなり離れた周縁部でも回転速度が低下せず、平坦な速度分布をしていることが分かる。
これは、現在知られている通常の物質(バリオン)とは異なり、光を出さずに質量エネルギーのみを持つ未知の物質が銀河の質量の大半を占めていると仮定する事で説明される。この未知の物質を暗黒物質(ダークマター)と呼び、その正体について研究が続けられている。 一方でこのような暗黒物質を仮定せず、力学の法則を修正することで平坦な銀河回転速度を説明しようとする試みもなされている。 その最も有名なものはミルグロムによる修正ニュートン力学 (MOND) である。他にはプラズマ宇宙論でもこの問題に解決の糸口を示している。
渦巻銀河の質量分布が軸対称であるならば, 銀河内の恒星が円軌道を描いていると仮定すると, その円軌道速度 v c {\displaystyle v_{c}} と銀河の重力ポテンシャル Φ {\displaystyle \Phi } には, R {\displaystyle R} を銀河面内の動径距離として
v c 2 ( R ) = R ∂ Φ ∂ R {\displaystyle v_{c}^{2}(R)=R{\frac {\partial \Phi }{\partial R}}}
という関係が成り立つことになる. 動径 r {\displaystyle r} の関数としての円軌道速度 v c ( R ) {\displaystyle v_{c}(R)} を銀河の回転曲線 (英: rotation curve) と呼ぶ. 例えば質量 M {\displaystyle M} の質点がつくる重力ポテンシャル Φ {\displaystyle \Phi } は, 重力定数を G {\displaystyle G} として Φ ( r ) = − G M r {\displaystyle \Phi (r)=-{\frac {GM}{r}}} であり, 対応する円軌道速度
v c ( r ) = G M r ∝ r − 1 2 {\displaystyle v_{c}(r)={\sqrt {\frac {GM}{r}}}\propto r^{-{\frac {1}{2}}}}
は r → ∞ {\displaystyle r\to \infty } で r − 1 / 2 {\displaystyle r^{-1/2}} に比例して減少する.