基于牛顿动力学的旋转薄盘星系质量分布

本文提出了一种精确的计算方法，通过应用牛顿动力学，根据给定的旋转曲线确定旋转薄盘星系的质量分布；该模型适用于具有或不具有中心球状核球的有限大小轴对称旋转薄盘。由盘上每点的牛顿引力与旋转产生的离心力平衡导出的质量分布控制积分方程，通过边界元方法转化为线性代数矩阵方程，从而可对各种形状的旋转曲线进行数值求解。为说明该计算方法的有效性，我们根据实测旋转曲线确定了几个成熟旋涡星系的质量分布。我们的模型预测的所有表面质量密度剖面均表现出近似共同的指数衰减规律，这与观测到的表面亮度分布在定性上一致。当存在中心球状核球时，星系总质量仅略有增加，但质量分布发生改变，使得外围质量密度降低，而更多质量出现在星系中心附近。通过将计算域扩展至星系边缘之外，我们可以确定截止半径之外的旋转速度，该速度似乎持续下降，并在超过两倍截止半径处逐渐趋近于开普勒旋转速度。对圆轨道稳定性的考察表明，具有平坦或随半径增加旋转速度的星系，比那些旋转速度随半径减小的星系更稳定，尤其是在靠近星系边缘的区域。我们的结果证明了牛顿动力学足以描述成熟旋涡星系的观测旋转行为这一事实。