星系的旋轉曲線如何暗示暗物質的存在?

下面是這個問題最簡單的示意圖:

這不是任何特定的星系，只是一個典型螺旋星系的一般代表。橫軸是到銀河系中心的距離，單位是千秒差距(一千秒差距，一秒差距約等於3光年);垂直軸是星系中心周圍恆星的軌道速度，以公里每秒為單位。

在螺旋星系的情況下，可見物質的大部分在星系的中央，是緊湊的凸起部分。因此，使用開普勒動力學來估計遠離凸出區恆星的軌道速度並不是完全不合理的。這由紅色曲線描述:它大致下降為徑向距離的平方根。

但這不是我們所看到的。相反，我們觀察到銀河的旋轉曲線更像這個例子中的綠色曲線:恆星的軌道速度大致保持不變，或者隨著半徑的增加而緩慢下降。

怎麼會這樣呢?有兩種可能的解釋。要麼我們不瞭解引力，要麼銀河系中存在我們所看到的以外的物質、改變了它的引力場、從而改變了恆星的軌道速度。

雖然修正過的引力理論存在，但要建立一個修正過的引力理論，使其與我們擁有的所有觀測結果(從太陽系到整個宇宙)一致，並且不與資料發生衝突，是非常困難的。與此同時，暗物質假說，雖然不是沒有它自己的問題，但仍然可以解決星系旋轉曲線和其他來自宇宙學的挑戰。

這就是：示意圖中的紅色曲線(表示僅用可見物質和開普勒定律描繪軌道速度)和綠色曲線(表示實際觀察到的軌道速度)之間的差異表明了不可見物質的存在。