3.1 Krzywe rotacji galaktyk: dopasowanie bez ciemnej materii

Strona główna ／ Rozdział 3: Wszechświat makroskopowy (V5.05)

Uwaga dotycząca terminologii
W tej części „dodatkowe przyciąganie” na obrzeżach dysku wyjaśniamy jako łączny efekt Statystycznej grawitacji tensorowej (STG) — uśrednionego w czasie, skumulowanego pociągania powstającego w trakcie skończonego życia Uogólnionych cząstek niestabilnych (GUP) — oraz Lokalnego szumu tensorowego (TBN) — szerokopasmowych, niskospójnych pakietów fal wstrzykiwanych do ośrodka podczas dezintegracji lub anihilacji. Dalej używamy wyłącznie polskich pełnych nazw.

I. Zjawisko i zasadnicze pytania

1. Płaskie „półki” na zewnątrz dysku: Poza dyskiem optycznym widzialnej materii jest mało, więc intuicyjnie prędkość obrotowa powinna maleć z promieniem. Obserwacje pokazują jednak długie, wysoko położone plateau.
2. Dwie wyjątkowo ciasne zależności:
   • Całkowita masa widzialna i charakterystyczna prędkość na obrzeżu leżą prawie na jednej prostej, z bardzo małym rozrzutem.
   • Dla każdego promienia całkowite przyciąganie dośrodkowe niemal jeden do jednego odpowiada przyciąganiu od materii widzialnej, również z niewielkim rozrzutem.
3. Różnorodne, lecz spójne: Kształty krzywych są zróżnicowane — ostre lub spłaszczone jądra, różne wysokości i długości plateau, drobna „faktura” — i wyraźnie reagują na środowisko oraz historię zdarzeń. Mimo to obie zależności pozostają ciasne, co wskazuje na wspólny mechanizm.
4. Ograniczenia podejścia tradycyjnego: „Niewidzialny dodatek” pozwala dopasować pojedyncze obiekty, ale zwykle wymaga strojenia parametrów dla każdego z nich. Trudno też wyjaśnić bardzo mały rozrzut obu zależności tylko „różną historią formowania”.

Myśl przewodnia: Dodatkowe przyciąganie na obrzeżach nie musi wynikać z nowej materii; może być skutkiem statystycznej odpowiedzi ośrodka kosmicznego.

II. Jedno „tensorowe krajobrazy” i trzy składowe

1. Bazowe nachylenie wewnętrzne (Prowadzenie przez materię widzialną)
   Gwiazdy i gaz kształtują w „morzu energii” nachylenie tensorowe do wewnątrz, zapewniając podstawowe prowadzenie dośrodkowe. Spadek z promieniem jest szybki, więc samo nie podtrzyma plateau na obrzeżach.
   Wskazówki obserwacyjne: Stosunek masa–światło i koncentracja powierzchniowej gęstości gazu; większa koncentracja zwykle daje „ostrzejsze” wznoszenie w centrum.
2. Wygładzone nachylenie dodane (Statystyczna grawitacja tensorowa)
   W trakcie życia uogólnione cząstki niestabilne wywierają drobne pociągania na pole tensorowe ośrodka. Pociągania te sumują się i uśredniają w czasoprzestrzeni, tworząc gładkie i trwałe odchylenie potencjału.
   Cechy kluczowe:
   • Gładka dystrybucja: Słabnie powoli z promieniem i na obrzeżach wciąż jest dość silne, by dźwigać plateau.
   • Współzmienność z aktywnością: Siła rośnie wraz z tempem formowania gwiazd, zmergowaniami/zakłóceniami, cyrkulacją gazu oraz ścinaniem od poprzeczki lub ramion spiralnych.
   • Samozamykanie: Więcej zasilania i mieszania → większa aktywność → silniejsze nachylenie dodane → skala prędkości na obrzeżach „blokuje się”.
     Wskazówki obserwacyjne: Powierzchniowa gęstość tempa formowania gwiazd, siła poprzeczki, przepływy wsteczne gazu i ślady zmergowań, korelujące z wysokością i długością plateau.
3. Niskąmplitudowa faktura (Lokalny szum tensorowy)
   Podczas dezintegracji lub anihilacji uogólnione cząstki niestabilne wstrzykują do ośrodka szerokopasmowe, niskospójne fale. Ich superpozycja tworzy rozproszony „szum tła”, który dodaje drobne falowania i poszerza profile prędkości na obrzeżach, nie zmieniając „średniej płaskości”.
   Wskazówki obserwacyjne: Radiowe halo/relikty, rozproszone struktury o niskim kontraście oraz „ziarniste” mapy prędkości, nasilające się wzdłuż osi zmergowań lub stref ścinania.

Intuicja radialna

• Obszar wewnętrzny (R ≲ 2–3 Rd): Dominuje prowadzenie przez materię widzialną; statystyczna grawitacja tensorowa wprowadza korekty → decyduje o „ostrym czy płaskim” jądrze.
• Strefa przejściowa: Obie składowe są porównywalne → krzywa przechodzi z nachylenia w plateau; położenie zmienia się wraz z aktywnością i historią.
• Obszar zewnętrzny (plateau): Udział statystycznej grawitacji tensorowej rośnie → wysokie, długie plateau z delikatną fakturą.

Krótki wniosek: Plateau na obrzeżach ≈ prowadzenie materią widzialną + statystyczna grawitacja tensorowa; drobne pofalowania na skraju ≈ lokalny szum tensorowy.

III. Dlaczego obie zależności są tak „ciasne”

• Masa–prędkość prawie liniowa: Materia widzialna jednocześnie zasila i miesza ośrodek, wyznaczając ogólną aktywność uogólnionych cząstek niestabilnych. Ta aktywność ustala skalę prędkości plateau, więc masa widzialna i charakterystyczna prędkość na obrzeżu współzmieniają się z tej samej przyczyny, dając mały rozrzut.
• Dopasowanie przyciągania promień po promieniu: Całkowite przyciąganie dośrodkowe = prowadzenie materią widzialną + wygładzone nachylenie dodane od statystycznej grawitacji tensorowej. W centrum dominuje składnik „widzialny”, na zewnątrz rośnie udział statystycznej grawitacji tensorowej. Płynne przekazywanie roli wzdłuż promienia daje niemal relację jeden do jednego.
  Szybka próba: Na stałym promieniu zmapować reszty dynamiczne względem ścinania gazu/pyłu i rozproszonej jasności radiowej; spodziewana jest zgodność kierunków.

Sedno: To dwie projekcje tego samego tensorowego krajobrazu — jedna w płaszczyźnie „masa–prędkość”, druga „promień–przyciąganie”.

IV. Dlaczego jądra bywają jednocześnie „ostre” i „płaskie”

• Mechanizm spłaszczania: Długotrwała aktywność — zmergowania, wybuchy formowania gwiazd, silne ścinanie — „zmiękcza” lokalny krajobraz tensorowy, zmniejsza nachylenie wewnętrzne i tworzy płaskie jądro.
• Mechanizm ostrzenia: Głęboka studnia potencjału, stabilne zasilanie i łagodne zakłócenia sprzyjają odtworzeniu lub utrzymaniu ostrego jądra.

Wniosek: „Ostre kontra płaskie” to dwa stany graniczne tej samej sieci tensorowej w różnych środowiskach i historiach zdarzeń.

V. Wspólne mapowanie wielu obserwabli na jednej „mapie tensorowej” (praktyczny przewodnik)

1. Wielkości do wspólnego mapowania:
   • Wysokość i długość radialna plateau na krzywej rotacji
   • Kierunek rozciągania i przesunięcie środka izolinii κ w soczewkowaniu grawitacyjnym słabym/silnym
   • Smugi ścinania i niegaussowskie „skrzydła” w polach prędkości gazu
   • Jasność i orientacja rozproszonych radiowych hal/reliktów
   • Orientacja polaryzacji/linii pola magnetycznego (wskaźniki długotrwałego ścinania)
2. Kryteria współmapowania:
   • Wyrównanie przestrzenne: Powyższe wielkości współlokalizują się i są współkierunkowe wzdłuż osi zmergowań, osi poprzeczki lub stycznych ramion spiralnych.
   • Spójność czasowa: W fazach aktywnych najpierw rośnie rozproszona emisja radiowa (szum), a następnie — w skali dziesiątek–setek milionów lat — plateau staje się wyższe i dłuższe (przyciąganie). W fazach spokojnych oba efekty cofają się w odwrotnej kolejności.
   • Niezależność pasmowa: Po korekcji dyspersji ośrodka kierunki plateau i reszt są zgodne między pasmami, bo wyznacza je ten sam krajobraz tensorowy.

VI. Sprawdzalne przewidywania (od obserwacji do przepływu dopasowania)

1. P1 | Najpierw szum, potem przyciąganie (sekwencja czasowa)
   Przewidywanie: Po wybuchu lub zmergowaniu najpierw wzrasta rozproszona emisja radiowa (lokalny szum tensorowy), a po ~10⁷–10⁸ latach rosną wysokość i promień plateau (statystyczna grawitacja tensorowa).
   Obserwacja: Wspólne dopasowania dla wielu epok i pierścieni; kwantyfikacja opóźnienia między szumem a zmianą plateau.
2. P2 | Zależność od środowiska (wzorzec przestrzenny)
   Przewidywanie: Wzdłuż osi o dużym ścinaniu lub osi zmergowań plateau są dłuższe i wyższe, a pole prędkości wygląda „ziarniście”.
   Obserwacja: Porównania krzywych sektorowych i profili emisji rozproszonej wzdłuż osi poprzeczki i osi zmergowań.
3. P3 | Uzgodnienie między modalnościami (wiele map)
   Przewidywanie: Długa oś izolinii κ, maksima ścinania prędkości, pasma radiowe i główna oś polaryzacji są współkierunkowe.
   Obserwacja: Rejestracja czterech map w jednym układzie współrzędnych i obliczenie podobieństwa wektorowego (cosinus).
4. P4 | Kształt widma na obrzeżach dysku
   Przewidywanie: Widmo mocy reszt prędkości ma łagodny spadek dla niskich–średnich częstości, typowy dla lokalnego szumu tensorowego szerokopasmowego i niskospójnego.
   Obserwacja: Porównanie położeń maksimów i nachyleń między widmami reszt i rozproszonymi widmami radiowymi.
5. P5 | Przepływ dopasowania (ekonomia parametrów)
   Kroki:
   • Z fotometrii i rozkładu gazu ustalić priory dla wewnętrznego nachylenia od prowadzenia materią widzialną.
   • Z metryk tempa formowania gwiazd, wskaźników zmergowań, siły poprzeczki i ścinania ustalić priory amplitudy/skali statystycznej grawitacji tensorowej.
   • Z rozproszonej emisji radiowej i poziomu faktury ustalić priory poszerzenia przez lokalny szum tensorowy.
   • Dopasować pełną krzywą małym, wspólnym zbiorem parametrów i weryfikować z mapami soczewkowania oraz pól prędkości.
     Cel: Jeden zestaw parametrów dla wielu zbiorów danych — bez strojenia „pod obiekt”.

VII. Metafora z życia codziennego

Konwój jadący z wiatrem w plecy:

• Silnik to prowadzenie przez materię widzialną.
• Wiatr w plecy to statystyczna grawitacja tensorowa, która słabnie powoli, ale podtrzymuje prędkość.
• Drobne nierówności drogi to lokalny szum tensorowy, nadający krzywej lekko „ziarnisty” wygląd.
• Panel sterowania: przepustnica (zasilanie), utrzymanie nawierzchni (poziom ścinania/aktywności) i podtrzymywanie wiatru w plecy (amplituda nachylenia dodanego).

VIII. Relacja do podejścia tradycyjnego

• Inna ścieżka wyjaśnienia: Tradycyjnie „dodatkowe przyciąganie” przypisuje się dodatkowej, niewidzialnej składowej; tutaj sprowadzamy je do statystycznej odpowiedzi ośrodka: wygładzonego nachylenia dodanego od statystycznej grawitacji tensorowej oraz niskąmplitudowej faktury od lokalnego szumu tensorowego.
• Lepsza ekonomia parametrów: Trzy współzależne czynniki — widzialne zasilanie, długotrwałe mieszanie i trwała tensorowa stronniczość — sterują wynikiem i ograniczają strojenie pod każdy obiekt.
• Jedna mapa, wiele projekcji: Krzywe rotacji, soczewkowanie grawitacyjne, dynamika gazu i polaryzacja to różne projekcje tej samej mapy tensorowej.
• Włączająco, nie konfrontacyjnie: Nawet jeśli kiedyś odkryjemy nowy składnik, będzie to tylko jedna z mikroskopowych przyczyn; dla głównych cech krzywych rotacji statystyczne efekty ośrodka wystarczają do spójnego dopasowania.

IX. Wnioski

Jeden tensorowy krajobraz wyjaśnia plateau na obrzeżach, dwie ciasne zależności, współistnienie jąder ostrych i płaskich oraz różnice w drobnej fakturze:

• Materia widzialna kształtuje bazowe nachylenie wewnętrzne.
• Statystyczna grawitacja tensorowa nakłada gładkie, trwałe i wolno malejące nachylenie dodane, podtrzymuje prędkości na obrzeżach i „blokuje” skalę prędkości do masy widzialnej wspólną przyczyną.
• Lokalny szum tensorowy dodaje niskąmplitudowe „ziarno”, nie zmieniając ogólnego plateau.

Podsumowując: Problem przesuwa się z pytania „ile niewidzialnej materii dodać” na „jak ten sam tensorowy krajobraz jest nieustannie kształtowany”. W tym zintegrowanym mechanizmie ośrodka plateau, ciasne zależności, morfologia jądra i zależność od środowiska nie są osobnymi zagadkami, lecz różnymi obliczami tej samej fizyki.