3.1 Mikunjo ya mzunguko ya galaksi: ulinganifu bila dutu nyeusi

Nyumbani ／ Sura ya 3: Ulimwengu wa makroskopiki (V5.05)

Tanbihi ya istilahi
Sehemu hii inaeleza “mvuto wa ziada” kwenye ukingo wa diski kuwa matokeo ya pamoja ya Mvuto tensoria wa takwimu (STG)—mkusanyiko unaokatika muda wa vivutio vidogo vinavyozalishwa wakati wa uhai finyu wa Chembe zisizo thabiti zilizopanuliwa (GUP)—na Kelele tensoria ya ndani (TBN)—vifurushi vya mawimbi vya upana mpana na ulinganifu mdogo vinavyochomekwa kwenye kati wakati wa mtengano au uangamizaji. Kuanzia hapa tutatumia majina kamili ya Kiswahili tu.

I. Jambo na maswali ya msingi

1. “Mabamba” kwenye diski ya nje: Nje ya diski inayoonekana, dutu inayoonekana ni haba, hivyo kasi ya mzunguko inapaswa kupungua kadiri radius inavyoongezeka. Hata hivyo, uchunguzi unaonyesha mabamba marefu yanayodumu kwa kiwango cha juu.
2. Mahusiano mawili yaliyobana isivyo kawaida:
   • Jumla ya dutu inayoonekana na kasi bainifu ya diski ya nje ziko karibu kwenye mstari mmoja, zikiwa na mtawanyiko mdogo sana.
   • Katika kila radius, mvuto wa jumla wa kuelekea kitovu karibu unalingana moja-kwa-moja na mvuto wa dutu inayoonekana, nao pia una mtawanyiko mdogo.
3. Tofauti zilizo na mwendelezo: Miundo ya mikunjo hutofautiana—kiini chenye ncha au bapa, urefu na kimo cha bamba, na “muundo laini”—na huathiriwa wazi na mazingira na historia ya matukio. Hata hivyo, mahusiano haya mawili hubaki thabiti, yakionyesha utaratibu mmoja wa msingi.
4. Mipaka ya mkabala wa kawaida: “Kiongezi kisichoonekana” kinaweza kufanya kila lengwa lifae, lakini mara nyingi huhitaji ulinganifu wa vigezo kwa kila lengwa. Zaidi ya hayo, mtawanyiko mdogo sana ni mgumu kuelezea kwa “historia tofauti za uundaji” pekee.

Wazo kuu: Mvuto wa ziada kwenye diski ya nje si lazima utokane na dutu mpya; unaweza kutoka katika mwitikio wa takwimu wa kati cha anga.

II. “Mandhari ya tensoria” moja yenye michango mitatu

1. Mteremko wa ndani wa msingi (Uongozaji wa dutu inayoonekana)
   Nyota na gesi huvuta “bahari ya nishati” kuelekea ndani na kutengeneza mteremko wa tensoria unaotoa uongozi wa msingi wa kuelekea kitovu. Mteremko hupungua haraka kwa kuongezeka kwa radius, hivyo peke yake hauwezi kubeba bamba la nje.
   Vipimo rejea: Uwiano wa dutu-mwanga na kiwango cha mkusanyiko wa msongamano wa uso wa gesi; mkusanyiko mkubwa zaidi hutoa “mwendo wa ndani wenye ncha”.
2. Mteremko wa kuongeza uliosawazishwa (Mvuto tensoria wa takwimu)
   Wakati wa uhai wao, chembe zisizo thabiti zilizopanuliwa huzalisha vivutio vidogo kwenye uga wa tensoria wa kati. Vivutio hivi hujumlishwa na kusawazishwa katika nafasi-muda, na kuunda upendeleo wa uwezekano ulio laini na wa kudumu.
   Sifa kuu:
   • Usambazaji laini: Hupungua polepole kwa radius na hubaki wenye nguvu vya kutosha kubeba bamba kwenye diski ya nje.
   • Kusawiana na shughuli: Nguvu huenda sambamba na kasi ya uundaji wa nyota, muunganiko/mtikiso, mzunguko wa gesi na msukosuko wa kinjeo kutoka kwa pau au mikono ya spiral.
   • Kujifunga yenyewe: Kuongezeka kwa uingizaji na uchanganyaji → shughuli juu → mteremko wa kuongeza kuwa mkuu → kipimo cha kasi cha diski ya nje “kinalakiwa”.
     Vipimo rejea: Msongamano wa uso wa uundaji wa nyota, uimara wa pau, marudio ya gesi na dalili za muunganiko vinavyohusiana na kimo na urefu wa bamba.
3. Muundo wa amplitude ndogo (Kelele tensoria ya ndani)
   Wakati wa mtengano au uangamizaji, chembe zisizo thabiti zilizopanuliwa huingiza mawimbi ya upana mpana yenye ulinganifu mdogo ndani ya kati. Ushirikiano wao huunda mandharinyuma yenye mng’ao hafifu inayoongeza mawimbi madogo na kupanua wasifu wa kasi kwenye diski ya nje bila kubadilisha “ubapa wa wastani”.
   Vipimo rejea: Halo/masalia ya redio yenye mng’ao hafifu, miundo hafifu ya utofautishaji mdogo, na uga wa kasi “ulio na chembechembe”, vinavyozidishwa kando ya mihimili ya muunganiko au maeneo yenye msukosuko mkali.

Mtazamo wa radius

• Ukanda wa ndani (R ≲ 2–3 Rd): Uongozaji wa dutu inayoonekana hutawala; mvuto tensoria wa takwimu husawazisha kwa uangalifu → huamua kama kiini ni “chenye ncha” au “bapa”.
• Ukanda wa mpito: Michango ni karibu sawa → mwinuko hubadilika kutoka mkali kwenda bamba; nafasi yake hubadilika pamoja na shughuli na historia.
• Ukanda wa nje (bamba): Sehemu ya mvuto tensoria wa takwimu huongezeka → bamba refu na juu lenye muundo laini.

Hitimisho fupi: Bamba la diski ya nje ≈ uongozaji wa dutu inayoonekana + mvuto tensoria wa takwimu; mawimbi madogo kandokando ≈ kelele tensoria ya ndani.

III. Kwa nini mahusiano haya mawili “yamebana”

• Dutu–kasi karibu mstari mmoja: Dutu inayoonekana ndiyo inayolisha na kuchanganya kati, hivyo huweka kiwango cha shughuli za chembe zisizo thabiti zilizopanuliwa. Shughuli hii huweka kipimo cha kasi cha bamba. Hivyo, dutu inayoonekana na kasi bainifu ya nje husawiana kwa sababu moja, zikiwa na mtawanyiko mdogo.
• Ulinganifu wa mvuto kwa kila radius: Mvuto wa jumla wa kuelekea kitovu = uongozaji wa dutu inayoonekana + mteremko wa kuongeza uliosawazishwa kutoka kwenye mvuto tensoria wa takwimu. Ndani, mchango “unaonekana” hutawala; nje, sehemu ya mvuto tensoria wa takwimu huongezeka. Uwasilishaji laini kando ya radius huzalisha ulinganifu wa karibu moja-kwa-moja.
  Jaribio la haraka: Kwa radius isiyobadilika, ramani mabaki ya mienendo dhidi ya msukosuko wa gesi/vumbi na mwangaza wa redio wenye mng’ao hafifu; tarajia uhusiano wa mwelekeo mmoja.

Kiini: Haya ni maonyesho mawili ya mandhari hiyo hiyo ya tensoria—moja kwenye “dutu–kasi”, jingine kwenye “radius–mvuto”.

IV. Kwa nini “viini vyenye ncha” na “bapa” vinaishi pamoja

• Utaratibu wa kubainisha bapa: Shughuli ya muda mrefu—miunganiko, milipuko ya uundaji wa nyota, msukosuko mkali—“hulainisha” mandhari ya tensoria ya karibu, hupunguza mteremko wa ndani na kutengeneza kiini bapa.
• Utaratibu wa kunoa ncha: Kisima cha uwezekano kilicho kirefu, uingizaji thabiti na msukosuko wa wastani husaidia kurejesha au kuhifadhi kiini chenye ncha.

Hitimisho: “Chenye ncha dhidi ya bapa” ni hali mbili za mpaka za mtandao mmoja wa tensoria katika mazingira na historia tofauti.

V. Kuweka uchunguzi mwingi kwenye “ramani moja ya tensoria” (mwongozo wa utekelezaji)

1. Vigezo vya kusajili pamoja:
   • Kimo na urefu wa radial wa bamba kwenye mkunjo wa mzunguko
   • Mwelekeo wa kunyooshwa na mchozo wa kituo wa kontua za κ kwenye kulensisha kwa graviti dhaifu/kali
   • Mikanda ya msukosuko na “mabawa” yasiyo ya Gaussia katika nyuga za kasi za gesi
   • Nguvu na mwelekeo wa halo/masalia ya redio yenye mng’ao hafifu
   • Mwelekeo wa polarishe au mistari ya uga wa sumaku (viashiria vya msukosuko wa muda mrefu)
2. Vigezo vya usajili wa pamoja:
   • Ulinganifu wa anga: Vigezo hapo juu vinakaa pamoja na kuelekezwa pamoja kando ya mihimili ya muunganiko, mihimili ya pau au tangenzi za mikono ya spiral.
   • Uthabiti wa wakati: Katika awamu za shughuli, mwangaza wa redio wenye mng’ao hafifu huongezeka kwanza (kelele), kisha—katika mizani ya mamilioni kadhaa hadi mamia ya mamilioni ya miaka—bamba huwa refu na juu zaidi (mvuto). Katika awamu tulivu, vyote viwili hurudi nyuma kwa mpangilio ulio kinyume.
   • Utegemezi mdogo wa bendi: Baada ya kusahihisha mtawanyiko wa kati, mielekeo ya mabamba na mabaki hubaki thabiti kati ya bendi, kwa kuwa huamuliwa na mandhari hiyo hiyo ya tensoria.

VI. Utabiri unaoweza kuthibitishwa (kutoka uchunguzi hadi mtiririko wa ulinganifu)

1. P1 | Kelele kwanza, kisha mvuto (mlolongo wa muda)
   Utabiri: Baada ya mlipuko au muunganiko, mwangaza wa redio wenye mng’ao hafifu huongezeka kwanza (kelele tensoria ya ndani), na—baada ya takribani miaka 10⁷–10⁸—kimo na radius ya bamba huongezeka (mvuto tensoria wa takwimu).
   Uchunguzi: Ulinganishe wa pamoja katika vipindi na miduara mingi; pima kuchelewa kutoka kelele hadi mabadiliko ya bamba.
2. P2 | Utegemezi wa mazingira (muundo wa anga)
   Utabiri: Kando ya mihimili yenye msukosuko mkali au mihimili ya muunganiko, mabamba ni marefu na marefu zaidi, na uga wa kasi huonekana “wenye chembechembe”.
   Uchunguzi: Linganisha mikunjo ya sehemu na wasifu hafifu kando ya mihimili ya pau na ya muunganiko.
3. P3 | Uthibitisho mtambuko kati ya namna (ramani nyingi)
   Utabiri: Mhimili mrefu wa κ, vilele vya msukosuko wa kasi, mikanda ya redio na mhimili mkuu wa polarishe huelekezwa pamoja.
   Uchunguzi: Sajili ramani nne katika mfumo mmoja wa viwianishi na uheshabu kufanana kwa vekta kwa kutumia kosaini.
4. P4 | Umbo la spektra katika diski ya nje
   Utabiri: Spektra ya nguvu ya mabaki ya kasi ina mteremko mpole kwa marudio ya chini-ya-kati, jambo linaloashiria kelele tensoria ya ndani yenye upana mpana na ulinganifu mdogo.
   Uchunguzi: Linga nafasi za vilele na miteremko kati ya spektra za mabaki na spektra za redio zenye mng’ao hafifu.
5. P5 | Mtiririko wa ulinganifu (uchumi wa vigezo)
   Hatua:
   • Tumia fotometri na mgawanyo wa gesi kuweka priori za mteremko wa ndani unaotokana na uongozaji wa dutu inayoonekana.
   • Tumia viashiria vya uundaji wa nyota, dalili za muunganiko, uimara wa pau na kiwango cha msukosuko kuweka priori za amplitude/kipimo cha mvuto tensoria wa takwimu.
   • Tumia mwangaza wa redio wenye mng’ao hafifu na kiwango cha muundo kuweka priori za upanuzi kutokana na kelele tensoria ya ndani.
   • Linganisha mkunjo wote kwa seti ndogo ya vigezo vya pamoja na uthibitishe mtambuko dhidi ya ramani za kulensisha na nyuga za kasi.
     Lengo: Seti moja ya vigezo kwa data nyingi—epuka kurekebisha kila lengwa kivyake.

VII. Mfano wa kila siku

Msururu wa magari ukiwa na upepo wa mgongo:

• Injini ni uongozaji wa dutu inayoonekana.
• Upepo wa mgongo ni mvuto tensoria wa takwimu, unaopungua polepole kwa umbali lakini unaendeleza mwendo.
• Vikwaruzo vidogo vya barabara ni kelele tensoria ya ndani, vinavyotoa “chembechembe” kwenye mkunjo.
• Panaeli ya udhibiti: kanyagio la mwendo (uingizaji), matunzo ya barabara (msukosuko/shughuli) na kuhifadhi upepo wa mgongo (amplitude ya mteremko wa kuongeza).

VIII. Uhusiano na mfumo wa jadi

• Njia tofauti ya ufafanuzi: Kawaida “mvuto wa ziada” huhusishwa na kijenzi kingine kisichoonekana; hapa tunaurejesha kwenye mwitikio wa takwimu wa kati: mteremko wa kuongeza uliosawazishwa kutoka kwenye mvuto tensoria wa takwimu na muundo wa amplitude ndogo kutoka kwenye kelele tensoria ya ndani.
• Uchumi bora wa vigezo: Vipengele vitatu vinavyohusiana—uingizaji unaoonekana, uchanganyaji wa muda mrefu na upendeleo wa tensoria unaodumu—huendesha matokeo na kupunguza urekebishaji wa kila lengwa.
• Ramani moja, miwonjo mingi: Mikunjo ya mzunguko, kulensisha kwa graviti, mienendo ya gesi na polarishe ni mionjo tofauti ya ramani ileile ya tensoria.
• Kujumuisha, si kukabiliana: Hata kikiwa kijenzi kipya kitapatikana baadaye, kitakuwa chanzo kimoja tu cha kiwango kidogo; kwa sifa kuu za mikunjo ya mzunguko, athari za takwimu za kati zinatosha kwa ulinganifu wa pamoja.

IX. Hitimisho

Mandhari ileile ya tensoria inaeleza bamba la diski ya nje, mahusiano mawili yaliyobana, kuishi pamoja kwa viini vyenye ncha na bapa, na tofauti za muundo laini:

• Dutu inayoonekana hutengeneza mteremko wa ndani wa msingi.
• Mvuto tensoria wa takwimu huongeza mteremko laini, imara na unaopungua polepole, unaobeba kasi za diski ya nje na “kulakiza” kipimo cha kasi kwenye dutu inayoonekana kupitia sababu moja ya pamoja.
• Kelele tensoria ya ndani huongeza “chembechembe” ya amplitude ndogo bila kubadili bamba kwa jumla.

Kwa muhtasari: Swali linahamia kutoka “tunaongeza dutu isiyoonekana kiasi gani” kwenda “mandhari ileile ya tensoria inaundwaje kila wakati”. Ndani ya utaratibu huu uliounganishwa wa kati, bamba, mahusiano yaliyobana, maumbo ya kiini na utegemezi wa mazingira si vitendawili tofauti, bali ni sura mbalimbali za fizikia ileile.