在星系自轉曲線的研究中，暗物質被認為是解釋過高轉速的關鍵，主要是因為觀測到的星系自轉速度並未隨著距離的增加而下降，這與牛頓重力理論所預測的情況相悖。暗物質理論認為，除了可見物質（例如恆星和氣體）外，還存在大量的不可見物質，即暗物質，這些暗物質在星系的外圍區域延伸，影響了星系的整體質量分佈。

### 暗物質如何影響星系質量分佈

1. **星系暈的形成**：暗物質形成了一個包圍在星系周圍的暈，這個暈的質量通常遠遠超過星系中的可見物質。這種暗物質的存在使得星系的引力場強度增加，從而使得星系中恆星的環繞速度保持在一個預期的、高於牛頓預測的水平。

2. **質量-光度比（M/L）**：在含有大量暗物質的星系中，質量和光度之間的比例（M/L）會增加，因為暗物質不發光，且其所佔質量比例極大。這導致在自轉曲線的外圍，我們觀察到的速度遠高於僅根據可見物質計算出的預期速度。

### 在低表面亮度星系（LSB）中的表現

低表面亮度星系（LSB）是暗物質理論的一個重要考驗對象。這些星系的特徵是它們在可見光波段的亮度較低，意味著它們的可見物質（恆星和氣體）相對較少。以下是暗物質在低表面亮度星系中的表現：

1. **高速度的發現**：儘管這些星系的可見物質稀少，但對其自轉曲線的觀測顯示，恆星的公轉速度仍然相對穩定，這明顯表明存在大量的暗物質驅動著這些星系的引力。

2. **模擬結果的印證**：數值模擬顯示，這些低表面亮度星系的自轉曲線與暗物質的存在相符。模擬結果預測，LSB星系中有著相當比例的暗物質，這補充了可見物質不足的情況，解釋了其異常的高速自轉。

3. **與冷暗物質模型的相符**：對於冷暗物質（CDM）模型，這些低表面亮度星系的自轉曲線支持了暗物質理論，因為這些模型能夠很好地預測這些星系的質量分佈，並且能夠準確地重建星系的引力場。

總結來說，暗物質的存在不僅影響了星系的質量分佈，還特別在研究如低表面亮度星系時，證明了其在整個宇宙結構中的重要角色。這些觀測數據不僅闡明了暗物質的組織結構，也加深了我們對宇宙的理解。
在星系自轉曲線的研究中，暗物質被認為是解釋過高轉速的關鍵，能否進一步解釋暗物質如何影響星系的質量分佈？特別是在低表面亮度星系（LSB）中的表現如何？
**星系自轉曲線**（英語：**Galaxy rotation curve**）可以繪製成以恆星或氣體的軌道速度為 _y_ 軸，相對於至核心距離為 _x_ 軸的圖表。

恆星圍繞星系核心公轉的速度在從星系核心開始的一個大範圍的距離內是均速。

**星系自轉問題**是被觀察到的轉動速度，和可觀測到的螺旋星系質量，以牛頓動力學預測的星系盤部分的速度之間所造成的矛盾。目前認為這一矛盾現象可以經由暗物質和暈的存在與延伸入星系中而予以解決。

## 歷史和問題的描述

在 1959 年，Louise Volders 指出螺旋星系 M33 的轉動沒有遵循克卜勒定律，到了 1970 年代，這個結果已擴展至許多其他的螺旋星系。基於這樣的模型，在螺旋盤面上的物質（像是恆星和氣體）環繞核心旋轉的軌道應該與太陽系的行星相似，也就是說，都應該遵循牛頓力學。基於此，可以預期在足夠遠的距離上環繞星系中心天體的平均軌道速度應該依照質量分佈的遞減，與軌道距離的平方根成反比（圖一中的虛點線）。在發現這種矛盾之時，星系的質量被認為大多集中在星系的核球內，接近星系的核心。

但是，觀測的螺旋星系自轉曲線，都不能證實此一觀點。相反的，曲線沒有如預期的隨距離的平方根減少，而是 "平的"－在中心核球外的速度相對於距離幾乎是個常數（圖一中的實線）。對這一現象的解是在符合最少調整的宇宙的物理定律下，是有為數可觀的質量不僅是遠離星系的中心，而且在質量對光度的比率上，發光率也很低。這些額外的質量被天文學家建議歸結為在星系暈內的暗物質，早在 40 多年前弗里茨・茲威基研究星系團時就已經假設這樣的物質存在了。如今有大量的觀測證據指出冷暗物質的存在，而其存在是宇宙學 Lambda-CDM model 的主要特色之一。

## 更進一步的研究

在說服人們相信暗物質的存在曾是很重要的論述，而目前在星系自轉曲線的工作中提供了一些巨大的挑戰。在 1990 年代，對低表面亮度星系（LSB）的星系自轉曲線和塔利 - 費舍爾關係的位置進行了詳細的研究顯示它們沒有預期之外的行為。這些星系的行為也是由令人驚奇且時髦的暗物質掌控。無論如何，這種被暗物質掌控的矮星系或許掌握到了結構形成的矮星系問題。

對暗物質理論進一步的挑戰，或者至少是它最普遍的形式－ 冷暗物質（CDM），來自對低表面亮度星系中心的分析。根據 CDM 的數值模擬，預測被暗物質控制系統的自轉曲線，例如這些星系，對實際的自轉曲線觀測沒有顯示出如預測的形狀。。這是所謂冷暗物質的星系暈尖點問題，是由理論的宇宙學家提出的一個較易處理的問題。

暗物質理論繼續支持星系自轉曲線的解釋，因為暗物質不僅從這些曲線得到證據，它也在大尺度結構形成的模擬中成功的解釋星系團中的星系團動力學（一如茲威基最初的提議）。暗物質也正確的預測重力透鏡觀測的結果。

## 暗物質的抉擇

用於解釋星系自轉曲線的暗物質，可供抉擇的數量是有限的。其中一個被討論的選擇是 MOND（被修正過的牛頓動力學），起初是在回溯 1983 年的現象作邏輯性的解釋，但後來發現對 LSB 的自轉曲線預測有強大的能力。重力的物理性質會在大尺度上改變的論斷，直到現在依然不是相對論中的理論。可是，這改變了現在張量 - 向量 - 純量重力（TeVeS）理論的發展。更成功的選擇是 Moffat 修正的重力理論（MOG），例如純量 - 張量 - 向量重力（STVG）。. Brownstein 和 Moffat（astro-ph/0506370 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館））應用 MOG 對星系自轉曲線加以質疑，並且已經有超過一百個的低表面亮度星系（LSB）、高表面亮度星系（HSB）和矮星系是吻合的樣品。

## 相關條目

* 薇拉・魯賓
* 未解決的物理學問題
* Nonsymmetric gravitational theory
* 暗物質
* Long-slit spectroscopy

## 參考書目

* V. Rubin, W. K. Ford, Jr. Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions. Astrophysical Journal. 1970, **159**: 379. 

　
: This was the first detailed study of orbital rotation in galaxies.
* V. Rubin, W. K. Ford, Jr, N. Thonnard. Rotational Properties of 21 Sc Galaxies with a Large Range of Luminosities and Radii from NGC 4605 (R=4kpc) to UGC 2885 (R=122kpc). Astrophysical Journal. 1980, **238**: 471. 

　
: Observations of a set of spiral galaxies gave convincing evidence that orbital velocities of stars in galaxies were unexpectedly high at large distances from the nucleus. This paper was influential in convincing astronomers that most of the matter in the universe is dark, and much of it is clumped about galaxies.
* _Galactic Dynamics_, James Binney and Scott Tremaine。Princeton University Press 1987. ISBN 0-691-08444-0 (cloth); ISBN 0-691-08445-9 (paperback)
* J. R. Brownstein and J. W. Moffat. Galaxy Rotation Curves Without Non-Baryonic Dark Matter. Astrophysical Journal. 2006, **636**: 721. 

　
: Arxiv.org Preprint（astro-ph/0506370 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館））
* J. R. Brownstein and J. W. Moffat. The Bullet Cluster 1E0567-558 evidence shown Modified Gravity in the absence of Dark Matter. 2007. 

　
: Arxiv.org Preprint（astro-ph/0702146 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館））

## 註解
在宇宙學中，**暗物質**（英語：Dark Matter）是指不與電磁力產生作用的物質，也就是不會吸收、反射或發出光。人們目前只能透過重力產生的效應得知，而且已經發現宇宙中有大量暗物質的存在。

現代天文學經由引力透鏡、宇宙中大尺度結構的形成、微波背景輻射等方法和理論來探測暗物質。而根據 ΛCDM 模型，由普朗克衛星探測的數據得到：整個宇宙的構成中，常規物質（即重子物質）占 4.9%，而暗物質則占 26.8%，還有 68.3% 是暗能量（質能等價）。暗物質的存在可以解決大爆炸理論中的不自洽性（inconsistency），對結構形成也非常關鍵。暗物質很有可能是一種（或幾種）粒子物理標準模型以外的新粒子所構成。對暗物質（和暗能量）的研究是現代宇宙學和粒子物理的重要課題。

2015 年 11 月，NASA 噴射推進實驗室的科學家蓋瑞・普里茲奧（Gary Prézeau）以 ΛCDM 模型模擬銀河系內暗物質流過地球與木星等行星的情形，發現這會使該暗物質流的密度明顯上升（地球： $10^{7}$ 倍、木星： $10^{8}$ 倍），並呈現毛髮狀的向外輻射分佈結構。 ## 暗物質存在的證據

最早提出證據並推斷暗物質存在的是荷蘭科學家揚・奧爾特，在 1932 年他根據銀河系恆星的運動提出銀河系裡面應該有更多的質量的想法。
1933 年，美國加州理工學院的瑞士天文學家弗里茨・茲威基研究后髮座星系團時，使用維里定理推斷出其內部有看不見的物質。
但當時並未稱為暗物質，而是稱為被丟失了的質量。

### 星系自轉曲線

美國天文學家薇拉・魯賓觀測星系轉速時，發現星系外側的旋轉速度較牛頓重力預期的快，故推測是有數量龐大的質能拉住星系外側組成，以使其不致因過大的離心力而脫離星系。在 1980 年魯賓和同事將其結果發表了一篇有影響力的論文。

### 星系與星系團觀測

2006 年，美國天文學家利用錢德拉 X 射線望遠鏡對星系團 1E 0657-558 進行觀測，無意間觀測到星系碰撞的過程，星系團碰撞威力之猛，使得暗物質與正常物質分開，因此發現了暗物質存在的直接證據。

雖然暗物質在宇宙中大量存在是一個普遍的看法，但是科學家們發現螺旋星系 NGC 4736 的旋轉能完全依靠可見物質的引力來解釋，也就是說這個星系沒有暗物質或者暗物質很少。 ## 歷史和問題的描述

在 1959 年，Louise Volders 指出螺旋星系 M33 的轉動沒有遵循克卜勒定律，到了 1970 年代，這個結果已擴展至許多其他的螺旋星系。基於這樣的模型，在螺旋盤面上的物質（像是恆星和氣體）環繞核心旋轉的軌道應該與太陽系的行星相似，也就是說，都應該遵循牛頓力學。基於此，可以預期在足夠遠的距離上環繞星系中心天體的平均軌道速度應該依照質量分佈的遞減，與軌道距離的平方根成反比（圖一中的虛點線）。在發現這種矛盾之時，星系的質量被認為大多集中在星系的核球內，接近星系的核心。

但是，觀測的螺旋星系自轉曲線，都不能證實此一觀點。相反的，曲線沒有如預期的隨距離的平方根減少，而是 "平的"－在中心核球外的速度相對於距離幾乎是個常數（圖一中的實線）。對這一現象的解是在符合最少調整的宇宙的物理定律下，是有為數可觀的質量不僅是遠離星系的中心，而且在質量對光度的比率上，發光率也很低。這些額外的質量被天文學家建議歸結為在星系暈內的暗物質，早在 40 多年前弗里茨・茲威基研究星系團時就已經假設這樣的物質存在了。如今有大量的觀測證據指出冷暗物質的存在，而其存在是宇宙學 Lambda-CDM model 的主要特色之一。 **星系自轉曲線**（英語：**Galaxy rotation curve**）可以繪製成以恆星或氣體的軌道速度為 _y_ 軸，相對於至核心距離為 _x_ 軸的圖表。

恆星圍繞星系核心公轉的速度在從星系核心開始的一個大範圍的距離內是均速。

**星系自轉問題**是被觀察到的轉動速度，和可觀測到的螺旋星系質量，以牛頓動力學預測的星系盤部分的速度之間所造成的矛盾。目前認為這一矛盾現象可以經由暗物質和暈的存在與延伸入星系中而予以解決。