La curva di rotazione di una galassia (o semplicemente curva di rotazione galattica) è un grafico che rappresenta la variazione della velocità orbitale di stelle e gas interstellare all'interno di una galassia a spirale in funzione della loro distanza dal centro galattico.
Questa curva costituisce una delle prove osservative più solide a sostegno dell'esistenza della materia oscura.
Descrizione del fenomeno Secondo le leggi della meccanica classica (in particolare la terza legge di Keplero e la legge di gravitazione universale di Newton), la velocità orbitale di un corpo celeste situato alla periferia di un sistema di massa concentrata dovrebbe diminuire all'aumentare della distanza dal centro. Questo comportamento è chiaramente visibile nel Sistema Solare, dove i pianeti più esterni orbitano molto più lentamente di quelli interni (andamento kepleriano).
Applicando lo stesso principio alle galassie a spirale, ci si aspetterebbe che, una volta superata la regione centrale ad alta densità luminosa (il bulge o bulbo), la velocità di rotazione delle stelle e del gas diminuisca progressivamente secondo la relazione:
Tuttavia, le osservazioni astronomiche mostrano un profilo completamente diverso: dopo una rapida crescita iniziale nel nucleo galattico, la curva di rotazione rimane sorprendentemente piatta (o addirittura in leggera crescita) anche a distanze enormi dal centro, ben oltre il limite visibile della materia luminosa (stelle e gas).
Interpretazione teorica Per spiegare il profilo piatto delle curve di rotazione, la densità di massa di una galassia non può essere concentrata solo nel centro, ma deve distribuirsi in modo tale che la massa racchiusa entro il raggio (indicata come ) sia direttamente proporzionale al raggio stesso:
Poiché la forza centripeta è bilanciata dalla forza gravitazionale, la velocità orbitale è data da:
Se , sostituendo la relazione si ottiene che la velocità diventa indipendente dal raggio () descrivendo perfettamente la curva piatta osservata.
Ipotesi esplicative Attualmente esistono due filoni principali per spiegare questa distribuzione di massa e la forma delle curve di rotazione:
Materia oscura. È l'ipotesi cinematicamente e cosmologicamente più accettata. Si assume che le galassie siano immerse in un immenso ed sferico alone di materia oscura non barionica, invisibile agli strumenti poiché non emette né assorbe radiazione elettromagnetica, ma dotata di massa. Questa componente dominerebbe la dinamica galattica alle grandi distanze.
Dinamica Newtoniana Modificata (MOND). Proposta da Mordehai Milgrom nel 1983, è una teoria alternativa che non prevede l'esistenza di particelle esotiche invisibili, bensì una modifica delle leggi della gravità di Newton (o della relatività generale) quando l'accelerazione gravitazionale scende sotto una determinata soglia critica . Sebbene spieghi con precisione le curve di rotazione senza l'ausilio della materia oscura, incontra maggiori difficoltà su scala cosmologica (come l'effetto di lente gravità negli ammassi di galassie).
Note
Bibliografia Rubin, V.C., Ford, W.K. Jr. (1970). Rotation of the Andromeda Nebula. Persic, Salucci & Stel (1995). The Universal Rotation Curve of Spiral Galaxies. Salucci et al. (2007). The Universal Rotation Curve of Spiral Galaxies II.
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