3.1 Galaksien kiertokäyrät: sovitus ilman pimeää ainetta

Etusivu ／ Luku 3: Makroskooppinen universumi

Huomautus terminologiasta
Tässä jaksossa selitämme ulkolevyn “lisävedon” kahden ilmiön yhteisvaikutuksena: tilastollinen tensoripainovoima (STG) tarkoittaa pienten vetojen ajallisesti keskimääräistä ja kasaantuvaa vaikutusta, jonka yleistetyt epävakaat hiukkaset (GUP) aiheuttavat rajallisen elinkaarensa aikana; paikallinen tensorikohina (TBN) tarkoittaa laajakaistaisia ja matalan koherenssin aaltopaketteja, jotka ruokkivat väliainetta hiukkasten hajotessa tai annihiloituessa. Jatkossa käytämme vain näitä suomenkielisiä täydellisiä nimiä.

I. Ilmiö ja keskeiset kysymykset

1. Ulkolevyn “tasanteet”: Optisen levyn ulkopuolella näkyvää ainetta on vähän, joten kiertonopeuden pitäisi intuitiivisesti laskea säteen kasvaessa. Havainnot osoittavat kuitenkin pitkiä ja korkealla pysyviä tasanteita.
2. Kaksi poikkeuksellisen tiukkaa riippuvuutta:
   • Näkyvän aineen kokonaismassa ja ulkolevyn ominaish nopeus asettuvat lähes samalle suoralle hyvin pienellä hajonnalla.
   • Jokaisella säteellä kokonaisvetovoima kohti keskustaa vastaa lähes yksi yhteen näkyvän aineen vetovoimaa, jälleen pienellä hajonnalla.
3. Monimuotoista mutta yhtenäistä: Käyrien muodot vaihtelevat — ydin voi olla terävä tai litteä, tasanteiden pituudet ja korkeudet eroavat ja hienorakenne vaihtelee — ja ne reagoivat selvästi ympäristöön ja tapahtumahistoriaan. Silti kaksi tiukkaa riippuvuutta säilyy, mikä viittaa yhteen taustalla olevaan mekanismiin.
4. Perinteisen lähestymistavan rajoitukset: “Näkymättömän lisäkomponentin” lisääminen voi sovittaa yksittäiset kohteet, mutta vaatii usein kohdekohtaista parametrien viritystä. Pieni hajonta molemmissa riippuvuuksissa on myös vaikea selittää pelkillä “erilaisilla muodostumishistorioilla”.

Ydinajatus: Ulkolevyn lisäveto ei välttämättä synny lisäaineesta; se voi nousta kosmisen väliainteen tilastollisesta vasteesta.

II. Yksi “tensorimaisema”, kolme panosta

1. Peruskaltevuus sisäosissa (Ohjaus näkyvän aineen avulla)
   Tähdet ja kaasu vetävät “energiamerta” sisäänpäin ja muodostavat tensorikaltevuuden, joka tarjoaa perusohjauksen kohti keskustaa. Kaltevuus heikkenee nopeasti säteen kasvaessa, joten se ei yksin kanna ulkolevyn tasannetta.
   Havaintotuntumat: Massa–valo-suhde ja kaasun pintatiheyden keskittyminen; mitä keskittyneempi jakauma, sitä “terävämpi” sisäinen nousu.
2. Siloitettu lisäkaltevuus (Tilastollinen tensoripainovoima)
   Yleistetyt epävakaat hiukkaset aiheuttavat elinaikanaan pieniä vetoja väliainetta kuvaavaan tensorikenttään. Nämä vedot summautuvat ja keskiytyvät avaruudessa ja ajassa, mikä tuottaa tasaisen ja pitkäkestoisen potentiaalivinouman.
   Keskeiset ominaisuudet:
   • Tasainen jakauma: Heikkenee hitaasti säteen mukana, mutta säilyy ulkolevyllä riittävän vahvana kannattelemaan tasannetta.
   • Yhteisvaihtelu aktiivisuuden kanssa: Voimakkuus korreloi tähtien syntynopeuden, fuusioiden/häiriöiden, kaasun kiertoliikkeen sekä sauvan tai spiraalihaarojen aiheuttaman leikkausjännityksen kanssa.
   • Itsekiinnittyminen: Lisääntynyt syöttö ja sekoitus → korkeampi aktiivisuus → voimakkaampi lisäkaltevuus → ulkolevyn nopeusasteikko “lukittuu”.
     Havaintotuntumat: Tähtien syntynopeuden pintatiheys, sauvan voimakkuus, kaasun takaisinkierrot ja fuusiojäljet korreloivat tasanteen korkeuden ja pituuden kanssa.
3. Pienen amplitudin tekstuuri (Paikallinen tensorikohina)
   Yleistettyjen epävakaiden hiukkasten hajotessa tai annihiloituessa väliainetta ruokitaan laajakaistaisilla ja heikosti koherentti­lla aaltopaketeilla. Niiden superpositio muodostaa diffuusin taustan, joka lisää pieniä väreilyjä ja leventää nopeusprofiileja ulkolevyllä muuttamatta “keskimääräistä tasaisuutta”.
   Havaintotuntumat: Radiohalot ja -reliktit, matalakontrastiset diffuusit rakenteet sekä “rakeinen” nopeuskenttä, jotka voimistuvat fuusioakseleilla tai voimakkaan leikkauksen alueilla.

Säteittäinen intuitio

• Sisävyöhyke (R ≲ 2–3 Rd): Näkyvän aineen ohjaus hallitsee; tilastollinen tensoripainovoima hienosäätää → määrittää ytimen “terävyyden tai litteyden”.
• Siirtymävyöhyke: Panokset ovat samansuuruisia → käyrä muuttuu jyrkästä tasaiseksi; paikan sijainti elää aktiivisuuden ja historian mukana.
• Ulkovyöhyke (tasanne): Tilastollisen tensoripainovoiman osuus kasvaa → korkea ja pitkä tasanne, jossa on hienovaraista tekstuuria.

Lyhyt johtopäätös: Ulkolevyn tasanne ≈ näkyvän aineen ohjaus + tilastollinen tensoripainovoima; pienet reunaväreilyt ≈ paikallinen tensorikohina.

III. Miksi kaksi riippuvuutta on niin “tiukkaa”

• Massa–nopeus lähes suoralla: Näkyvä aine sekä syöttää että sekoittaa väliainetta ja määrää siten yleistettyjen epävakaiden hiukkasten kokonaisaktiivisuuden. Tämä aktiivisuus asettaa tasanteen nopeusasteikon. Siksi näkyvä massa ja ulkolevyn ominaish nopeus yhteisvaihtelevat samasta syystä ja hajonta jää pieneksi.
• Vetovoiman vastaavuus säde säteeltä: Kokonaisvetovoima kohti keskustaa = näkyvän aineen ohjaus + tilastollisen tensoripainovoiman siloitettu lisäkaltevuus. Sisällä “näkyvä” osuus hallitsee, ulompana tilastollisen tensoripainovoiman osuus kasvaa. Sileä vastuunvaihto säteen suunnassa tuottaa lähes yksi yhteen -vastaavuuden.
  Nopea koe: Kartoitetaaan kiinteällä säteellä dynaamiset residuaalit suhteessa kaasun/pölyn leikkaukseen ja diffuusiin radiosäteilyyn; odotetaan samansuuntaista korrelaatiota.

Olennaista: Kaksi tiukkaa riippuvuutta ovat saman tensorimaiseman kaksi projektiota — toinen “massa–nopeus”-tasossa, toinen “säteet–veto”-tasossa.

IV. Miksi ytimet ovat sekä “teräviä” että “litteitä”

• Litteytysmekanismi: Pitkäkestoinen aktiivisuus — fuusiot, tähtipurkaukset, voimakas leikkaus — “pehmentää” paikallista tensorimaisemaa, pienentää sisäkaltevuutta ja tuottaa litteän ytimen.
• Terävöitysmekanismi: Syvä potentiaalikaivo, tasainen syöttö ja lievät häiriöt auttavat palauttamaan tai säilyttämään terävän ytimen.

Johtopäätös: “Terävä vastaan litteä” kuvaa saman tensori­verkon kahta ääritilaa erilaisissa ympäristöissä ja tapahtumahistorioissa.

V. Useiden havaintojen sijoittaminen samalle “tensorkartalle” (käytännön opas)

1. Yhdessä kartoitettavat suureet:
   • Tasanteen korkeus ja säteittäinen pituus kiertokäyrässä
   • κ-kontuurien venytyssuunta ja keskipisteen siirtymä heikossa/vahvassa gravitaatiolinssissä
   • Leikkausjuovat ja ei-gaussiset “siivet” kaasun nopeuskentissä
   • Diffuusien radiohalojen/-reliktien intensiteetti ja suuntaus
   • Polarisaation/magneettikenttäviivojen suuntaus (pitkäkestoisen leikkauksen jäljitin)
2. Yhteiskartoituksen kriteerit:
   • Tilallinen kohdistus: Edellä mainitut suureet ovat samapaikkaisia ja samansuuntaisia fuusioakselien, sauva-akselien tai spiraalihaarojen tangenttien suuntaisesti.
   • Aikakonsistenssi: Aktiivisissa vaiheissa diffuusi radiosäteily voimistuu ensin (kohina), ja vasta kymmenien–satojen miljoonien vuosien mittakaavassa tasanne kasvaa korkeammaksi ja pidemmäksi (veto). Rauhallisissa vaiheissa molemmat heikkenevät päinvastaisessa järjestyksessä.
   • Kaistariippumattomuus: Kun väliainetta koskeva dispersiokorjaus on tehty, tasanteiden ja residuaalien suunnat ovat kaistojen yli yhtäpitäviä, koska saman tensorimaiseman geometria määrää ne.

VI. Testattavat ennusteet (havainnoista sovitusprosessiin)

1. P1 | Ensin kohina, sitten veto (aikajärjestys)
   Ennuste: Purkauksen tai fuusion jälkeen diffuusi radiosäteily voimistuu ensin (paikallinen tensorikohina), minkä jälkeen — noin 10⁷–10⁸ vuoden kuluessa — tasanteen korkeus ja säde kasvavat (tilastollinen tensoripainovoima).
   Havainto: Yhdistetty sovitus useissa epookeissa ja kehäalueissa; mitataan viive kohinasta tasannemuutokseen.
2. P2 | Ympäristöriippuvuus (tilallinen kuvio)
   Ennuste: Korkean leikkauksen vyöhykkeillä tai fuusioakseleilla tasanteet ovat pidempiä ja korkeampia, ja nopeuskenttä näyttää “rakeisemmalta”.
   Havainto: Verrataan sektorittain johdettuja käyriä ja diffuuseja profiileja sauva- ja fuusioakseleilla.
3. P3 | Ristiintarkastus havaintotapojen välillä (useita karttoja)
   Ennuste: κ:n pitkä akseli, nopeusleikkauksen huiput, radiokaistaleet ja polarisaation pääakseli ovat samansuuntaisia.
   Havainto: Rekisteröidään neljä karttaa samaan koordinaatistoon ja lasketaan vektorien kosini-samankaltaisuus.
4. P4 | Ulkolevyn spektrimuoto
   Ennuste: Nopeusresiduaalien tehospektri nousee loivasti matalilla–keskitaajuuksilla, mikä on tyypillistä laajakaistaiselle ja heikosti koherentille paikalliselle tensorikohinalle.
   Havainto: Verrataan huippujen sijainteja ja kaltevuuksia residuaali- ja diffuusien radiospektrien välillä.
5. P5 | Sovitusprosessi (parametrien talous)
   Vaiheet:
   • Hyödynnetään fotometriaa ja kaasun jakaumaa näkyvän aineen ohjauksen asettaman sisäkaltevuuden priori­arvoihin.
   • Hyödynnetään tähtien syntymän mittareita, fuusioindikaattoreita, sauvan voimakkuutta ja leikkauksen tasoa tilastollisen tensoripainovoiman amplitudin/asteikon priori­arvoihin.
   • Hyödynnetään diffuusia radiosäteilyä ja tekstuurin tasoa paikallisen tensorikohinan aiheuttaman leventymän priori­arvoihin.
   • Sovitetaan koko käyrä pienellä ja yhteisellä parametrijoukolla ja ristiinvertataan linssi- ja nopeuskenttäkarttoihin.
     Tavoite: Yksi parametrisarja monille aineistoille — vältetään kohdekohtainen vapaa virittely.

VII. Arkinen vertaus

Letka myötätuulessa:

• Moottori on näkyvän aineen tarjoama ohjaus.
• Myötätuuli on tilastollinen tensoripainovoima, joka heikkenee hitaasti etäisyyden kasvaessa mutta ylläpitää vauhtia.
• Tien pienet rosoisuudet ovat paikallinen tensorikohina, joka antaa käyrälle hienoisen “rakeen”.
• Ohjauspaneeli: kaasu (syöttö), tien ylläpito (leikkaus/aktiivisuus) ja myötätuulen ylläpito (lisäkaltevuuden amplitudi).

VIII. Suhde perinteiseen viitekehykseen

• Toinen selitystie: Perinteisesti “lisäveto” on liitetty uuteen, näkymättömään komponenttiin; tässä palautamme sen väliainteen tilastolliseen vasteeseen: tilastollisen tensoripainovoiman siloitettuun lisäkaltevuuteen ja paikallisen tensorikohinan pienen amplitudin tekstuuriin.
• Parempi parametritalous: Kolme toisiinsa kytkeytyvää tekijää — näkyvä syöttö, pitkäkestoinen sekoitus ja pysyvä tensorivinouma — ohjaavat lopputulosta ja vähentävät kohdekohtaista viritystä.
• Yksi kartta, monta projisointia: Kiertokäyrät, gravitaatiolinssit, kaasudynamiikka ja polarisaatio ovat saman tensorkartan eri heijastuksia.
• Sisältävä eikä vastakkainasetteleva: Vaikka uusi komponentti löytyisi myöhemmin, se olisi yksi mahdollinen mikrolähde; kiertokäyrien pääpiirteiden kannalta väliainteen tilastolliset vaikutukset riittävät yhtenäiseen sovitukseen.

IX. Johtopäätökset

Yksi ja sama tensorimaisema selittää ulkolevyn tasanteen, kaksi tiukkaa riippuvuutta, terävien ja litteiden ytimien rinnakkaiselon sekä hienorakenteen vaihtelut:

• Näkyvä aine muovaa peruskaltevuuden sisäosiin.
• Tilastollinen tensoripainovoima lisää tasaisen, kestävän ja hitaasti heikkenevän lisäkaltevuuden, joka kantaa ulkolevyn nopeudet ja “lukitsee” nopeusasteikon näkyvään massaan yhteisen syyn kautta.
• Paikallinen tensorikohina lisää pienen amplitudin “rakeisuutta” muuttamatta koko tasannetta.

Yhteenvetona: Kysymys siirtyy “kuinka paljon näkymätöntä ainetta on lisättävä” -asetelmasta siihen, “miten sama tensorimaisema muovautuu jatkuvasti”. Tämän yhtenäisen väliaine­mekanismin puitteissa tasanne, tiukat riippuvuudet, ytimen morfologia ja ympäristöriippuvuus eivät ole erillisiä arvoituksia vaan saman fysiikan eri ilmentymiä.