CC BY
58
в к ФЕДОРОВ КРУПНОМАСШТАБНАЯ удк 523 5 СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ:
ПРОИСХОЖДЕНИЕ СПИРАЛЬНЫХ ГАЛАКТИК_
СТАТЬЯ СОДЕРЖИТ ОБОСНОВАНИЕ ТОГО, ЧТО СПИРАЛЬНЫЕ "РУКАВА" ГАЛАКТИК ВОЗНИКАЮТ В ТОМ И ТОЛЬКО Б ТОМ СЛУЧАЕ, КОГДА СИЛОВЫЕ ЛИНИИ ПОЛЯ ТЯГОТЕНИЯ ГАЛАКТИКИ ПЕРЕСЕКАЮТСЯ ТРАЕКТОРИЕЙ ЧАСТИЦ ВЕЩЕСТВА, ИСПУСКАЕМЫХ ЦЕНТРАЛЬНЫМ ТЕЛОМ, ПОД ОДНИМ И ТЕМ ЖЕ УГЛОМ П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭТОГО УГЛА ПО ФОТОГРАФИЯМ СПИРАЛЬНЫХ ГАЛАКТИК ПОЗВОЛИТ ОПРЕДЕЛИТЬ СКОРОСТЬ ИСТЕЧЕНИЯ ЧАСТИЦ ВЕЩЕСТВА И СКОРОСТЬ ВРАЩЕНИЯ ЦЕНТРАЛЬНОГО ЯДРА ГАЛАКТИКИ.
Существующий сценарий возникновения Вселенной соответствует общепринятой модели "Большого Взрыва", предложенной Г.Гамовым (1]. Экспериментальные факты (эффект красного смещения спектральных линий, обнаружение "реликтового излучения") не противоречат и не исключают того, что Вселенная родилась в результате мощнейшего взрыва и из ничтожного малого по объему, но сверхплотного вещества и излучения за несколько миллиардов лет образовалось то, что ныне именуется Космосом.
Однако модель "Большого Взрыва" страдает рядом неисправимых недостатков:
1 "Большой Взрыв" порождает хаотическое распределение излучения и вещества е Пространстве. Однако во Вселенной наблюдаются структурные образования - космические системы, другими словами, мера беспорядка не нарастала, как диктует второй закон термодинамики, а убывала.
2. "Большой Взрыв" не может объяснить возникновения всеобщего вращения - все объекты и системы Вселенной имеют осевые и орбитальные моменты вращения.
Очевидно, что "Большой Взрыв" может в результате дать только хаотическое распределение вещества во Вселенной и не может дать регулярных структур - космических систем. Регулярные структуры возникают и эволюционируют в рамках заданного сценария распада большого Нейтронного Тела (БНТ)[2].
Пример взрыва сверхновой звезды в созвездии Тельца показал, что возникшая Крабовидная туманность (рис. 1) не имеет регулярной структуры, а имеет хаотическое распределение вещества вокруг центрального тела. Поскольку взрыв сверхновой звезды в малом масштабе подобен "Большому Взрыву", то и становится очевидным, что "Большой Взрыв" не может создать регулярные структуры во Вселенной.
Рие.1, Крабовидная туманность в созвездии Тельца
Итак, изложенные недостатки модели "Большого Взрыва" указывают на то. что она является несовершенной, требующей доработки, модификации, иначе говоря, одной из возможных моделей, объясняющих возникновение Вселенной.
Альтернативный сценарий возникновения Вселенной [2), где главным пунктом является распад вращающегося БНТ, позволил в качественной форме объяснить вращение систем и объектов, спиральные структуры Галактик, отсутствие антивещества и т.д. С течением времени происходит расширение Вселенной, разбегание Галактик, размывание спиральных "рукавов" и ядер Галактик. Такая эволюция Вселенной соответствует второму закону термодинамики - мера беспорядка увеличивается.
Обратим внимание на то, что БНТ имело осевое вращение, что препятствовало превращению БНТ в "черную дыру". После распада БНТ его "осколки" сохраняли осевое вращение и приобрели орбитальное вращение под действием сил тяготения. Согласно теореме Ирншоу устойчивость системы тяготеющих тел возможна только при наличии орбитального вращения вокруг центрального тела.
Здесь хотелось бы рассмотреть предположение, касающееся тяготения. Природа тяготения неизвестна, имеется лишь несколько гипотез, пытающихся объяснить природу тяготения. Предположение автора заключается в том, что тяготение - это реакция на распад БНТ. Сила тяготения стремится устранить причину своего появления, препятствуя дальнейшему разлету "осколков", и собрать "осколки" БНТ в единое целое , тем самым порождая следующий новый цикл развития Вселенной. Следовательно, тяготение свидетельствует о существовании определенной "связи" между частицами БНТ, и когда произошел распад БНТ, эта "связь" сохранилась и стала проявляться как тяготение.
Г. Арп в |3] отождествил квазары и объекты типа BL Lac как первоначальные компактные тела, которые являются прародителями сферических Галактик и сделал вывод, что выбросы из квазаров являются причиной спиральной структуры Галактик,
Необычные условия в ядрах Галактик (квазарах) необходимо рассматривать как следствие того, что Вселенная не имела мгновенный "Большой Взрыв". Это - наивная точка зрения. Наблюдаемая картина обнаруженных спиральных Галактик указывает на то, что ядра Галактик представляют собой вторичные сердцевины, которые позволяют рассматривать меньшие компоненты (осколки) БНТ. более того, следует ожидать последующие открытия различных компонент Вселенной.
Крупномасштабное распределение Галактик (расстояния в десятки и сотни килопарсек) имеет ряд особенностей. Эти особенности отражены в классификации Гапак-тик, предложенной Э. Хабблом, которая сохраняет центральное значение до настоящего времени. Эта классификация разбивает все Галактики на четыре типа (рис. 2).
ЕО - тип включает в себя сферические Галактики;
Рис.2. Типы эллиптически* и спиральных Галактик.
Е - тип включает в себя эллиптические Галактики;
S - тип включает в себя Галактики с нормальными спиральными "рукавами";
SB - тип включает в себя Галактики с перемычками в центральном теле и нормальными спиральными "рукавами".
Третий и четвертый типы разбиты на три подтипа
S —» Sa —» Sb —> Se и SB SBa SBb SBc. соответствующие переходу от сильно закрученных спиральных "рукавов" к слабо закрученным.
Важным элементом в классификации является то, что видимые наблкщаемые черты Галактик тесно связаны с их физическими свойствами. Так, к примеру. Sa - Галактики, с сильно закрученными спиральными "рукавами" имеют большую концентрацию массы в центральном теле (ядре) Галактики. Такая большая концентрация массы в ядре связана с мощной сферической подсистемой более "старых* звезд, принимающих слабое участие в направленном вращательном движении вокруг ядра Галактики, нежели спиральные рукава. Переход к более открытым и мощным спиральным "рукавам" Sb и Se - Галактик сопровождается уменьшением массы ядра Галактики, При этом уменьшается роль сферической подсистемы в направленном аращательном движении вокруг ядра Галактики и усиливается роль спиральных "рукавое".
Традиционно это положение интерпретируется таким образом, что спиральные Галактики происходят из эллиптических Галактик в процессе выброса вещества. Детальные исследования Д.Сулентика (4] скопления Галактик в созвездии Девы подтверждают эти соображения. Спиральные Галактики, следовательно, развиваются из более компактных объектов путем выброса вещества спиральных "рукавов" В дальнейшем будем полагать, что распад БНТ привел к появлению "осколков" - сферических Галактик, равномерно распределенных в пространстве; сферические Галактики при осевом вращении трансформировались в эллиптические, а эллиптические - в спиральные Галактики. Этот эволюционный путь раньше или позже пройдут все эллиптические Галактики.
Далее ограничимся рассмотрением только S - типа Галактик, к которым относится и Галактика "Млечный путь". Если Галактику "Млечный путь" можно было бы наблюдать со стороны, то она была бы похожа на Галактику NGC 5194, фотографии которой представлена на рис, 3. При этом основная роль в отслеживании спиральной структуры при-
Рис.З. Спиральная галактика NGC 5194.
надлежит зонам Н1 (радиолиния спектра 21 см) и Н 2 (оптический диапазон спектра).
Проблеме спиральной структуры Галактик уделяется большое внимание в Космологии и Космогонии, поскольку эта проблема тесно связана с проблемой возникновения Вселенной.
При построении теории образования спиральных Галактик первый выбор, который необходимо сделать • это выбор между распадом сверхплотного Тела и конденсацией разряженного газа. В.А.Амбарцумян предположил, что Галактики целиком образуются иэ сверхплотных тел, остатками которых являются ядра Галактик и квазары, наблкщаемые в настоящее время. В рамках эволюционной космологии представлялось возможным описать эти сверхплотные тела как вещество в сингулярном состоянии, задержавшееся е своем расширении по сравнению с основной частью вещества Вселенной. Указанная возможность анализировалась Я.Б.Зельдовичем и И.Д.Новиковым в [5].
Теория спиральных структур Галактик должна учитывать два наблюдательных факта: а) дифференциальную скорость вращения, б) существование спирального узора.
Основная трудность состоит в следующем: если бы спиральные рукава, простирающиеся на большую часть галактического диска, состояли всегда из одних и тех же звезд, то вследствие дифференциального вращения Галактики спиральные "рукава" либо распались, либо были бы многократно навиты на ось вращения. Но это противоречит наблюдениям.
Эта трудность может быть разрешена двояким способом. Первый способ предполагает следующее: наблюдаемая спиральная структура Галактики представляет собой спиральную волну плотности распределения эвезд f (г, Ц в пространстве, распространяющуюся по галактическому диску с постоянной угловой скоростью , тогда какдиф-ференциальная скорость вращения (г) - это быстро убывающая функции расстояния ф от центра спиральной Галактики. Такая волна ппотности распределения звезд f (г, О не следует за дифференциальным вращением галактического диска, при этом нет ни распада спиральных "рукавов", ни многократного их закручивания вокруг ядра Галактики.
Если у = /' (г, 1) / /0 (г), где [' (г, I) - малое возмущение функции 1 (г, (), /„ (г) - невозмущенное значение функции f (г, у. а и' (г, - малое возмущение гравитационного потенциала V (г, I), то система уравнений для определения и у' {г, I) соответствует уравнению Власова для самосогласованного поля плазмы [6]. Решения для ^ и у' (г, 1) получаются е виде
у (г.1) = Кехр(](^(1*т-1 - т • <р + Ф (г))], (1)
,/ (гД) = Рехр[|(пртп-1-т- <р +Ф(г))], где т - число спиральных рукавов, К и Р- константы, и дают спиральную волну плотности распределения ((г, У, которая вращается с угловой скоростью Qp и сфазой Ф (г), зависящей от г.
Длина волны плотности распределения эвезд ^г, 1) определяется как
Я = 2л-/К = 2л-/<1Ф/аг, (2)
где К = с1Ф / с!г - волновое число.
Когда (1Ф/с1г »1,Ф(г) - меняется быстро, Д - мало, что соответствует туго закрученной спирали, и наоборот, с1Ф/с1г -мало, Ф (г) меняется очень медленно, X - велико, что соответствует слабо закрученной спирали. Если йФ / с1г < 0, то спиральные "рукава" закручиваются, т.е.спиральные "рукава" раскрываются против направления вращения, если ЙФ/ с1г > 0, то спиральные "рукава" раскручиваются, т.е. спиральные "рукава" раскрываются в направлении вращения.
Во Вселенной реализуется закручивающиеся спиральные "рукава", следовательно, Ф{г) изменяется все медленнее с увеличением г.
Зависимость Ф (г) представпяет иэ себя спираль Архимеда,
<аФ/с)г = К г = Ф/К + г„, (3)
где г0 - радиус ядра Галактики,
С 2 X
Если перейти к полярным координатам р и то из (6) получим О
1п(р/с)=0/г р = С
(
Если $ = 0, то р - С = г0, гя - радиус ядра спиральной Галактики. в
Решение р = г0 г (7)
V
определяет траекторию выброса вещества эллиптической Галактики, и эта траектория представляет собой логарифмическую спираль.Отметим,чтоеслиг» 1, а —> л1 2, р - гй г0{1 + $¡2) - г0 + г0 • логарифмическая спираль превращается в спираль Архимеда.
Необходимо внести ясность^ что в математическом аспекте рассмотрен идеализированный случай, и значение угла а для конкретной спиральной Галактики необходимо определять для идеального состояния спиральных "рукавов", абстрагируясь от реального состояния, когда спиральные "рукава" Галактик имеют ту или иную степень размытости. Отсюда следует, что отыскиваемая величина угла а будет лежать в некотором интервале, ширина которого определяется объективными факторами.
Спиральные узоры (две или несколько спиралей) возникают тогда, когда истечение вещества из центрального тела происходит с различными симметричными начальными условиями иэ двух или нескольких источников.
ВЫВОДЫ
1. Спиральные "рукава" Галактик возникают в том и только в том случае, когда силовые линии поля тяготения Галактики пересекаются траекторией частиц вещества, испускаемых центральным телом, под одним и тем же углом а ■ Экспериментальное определение этого угла по фотографиям спиральных Галактик позволит определить скорость истечения частиц вещества и скорость вращения центрального ядра Галактики.
2. Новый информационный параметр-угол а - и его конкретные числовые значения позвопит уточнить классификацию спиральных Галактик, проводить сравнительный анализ спиральных Галактик, точнее прогнозировать эволюцию спиральных Галактик.
Если для некоторых спиральных Галактик этот угол окажется примерно одинаковым, то ядра имеют одну и ту же массу и одинаковые скорости вращения; если углы а для некоторых спиральных Галактик значительно отличаются друг от друга, то ядра спиральных Галактик значительно отличаются по массе и имеют различие по скорости вращения и т.д. Величина угла а представляется важным информационным параметром при исследовании физических свойств спиральных Галактик.
В.А. Амбарцумян, Г Арп [7] приводили доводы в пользу того, что процесс выброса вещества фактически является причиной образования спиральных "рукавов" в Галактиках. В действительности, модное ныне объяснения появления спиральных "рукавов" через волны плотности распределения звезд f (г, t) есть только следствие, а не причина возникновения спиральных "рукавов".
Второй способ предполагает следующее. Выброс вещества иэ эллиптической Галактики происходит в плоскости ее вращения. Пусть, и это наиболее важная гипотеза, принятая в настоящей работе, и наиболее важный момент в рассуждениях автора, траектория выброса вещества пересекает линии напряженности поля тяготения ядра Галактики под одним и тем же угпом а, tg а ~ z. Тем самым в Космологию и Астрофизику вводится новый информационный параметр неизменный по величине для конкретной спиральной Галактики угол а ■ Принятая автором гипотеза базируется на анализе распределения материи в спиральных «рукавах» Галактик, фотографии которых в оптическом диапазоне приведены в каталоге NGC.
Угловой коэффициент dy / dx = tg ¡5 касательной к силовой линии поля тяготения у = f(x) Галактики и угловой коэффициент dy( / dx, = tg у касательной к траектории выброса вещества yr = f (х() связаны соотношением tg ¡5 - tg (У - а). Это соотношение следует иэ того, что 180- r = 18Ü-(a+jíí)> у = а + Р , Р = У -а.
Необходимые геометрические соотношения показаны на рис.4.
Поскольку tg = tg(г - а) = (tg 7 -tga)/(1+tg У *tg
Г). То dy
—— z dy _ dxr
<йг
Траектория силовых линий поля тяготения Галактики какодиночного тела определенной массы М представляет собой прямые линии у = С ■ х, проходящие через центр Галактики и перпендикулярные поверхности ядра. Произвол в выборе постоянной "С" соответствует возможности произвольно выбрать координаты той точки поля тяготения, через которую необходимо лровести данную силовую линию. Начало силовой линии-на бесконечности, конец силовой линии • на ядре Галактики.
Отсюда, следуя методу, изложенному в [в), получим
£
У = & = ÍL JS-L = I ¿L = 1-2L
* л i+zdL * áx i^' (5)
Интегрируя это однородное дифференциальное уравнение, получаем
ми и спиральными "рукавами" в плоскости вращения спираль ной Галактики.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гуревич Л.Э, Чернин А.Д. Происхождение крупномасштабной структуры Вселенной,-М,: Наука, 1978. -383 с.
2. Федоров В.К. Генезис: Монография, -Омск: ОмГТУ, 2002,-75 С.
3. Арп Г. Выбросы из Галактик и образование Галактик II Вопросы физики и эволюции космоса. - Ереван; АН АРМ. CCR1978. -С .81-95.
4. Sutentic J.W. Astrophisics Journal. -1977. Vol.211. -P. 59-73.
5. Зельдович Я.Б,, Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной. - М.: Наука, 1975.- 734 с.
6.Баранов В.В., Краснобаев К.В. Гидродинамическая теория космической плазмы.-М.: Наука, 1977,-335 с.
7.Амбарцумян В.А. Ядра галактик. Научные труды в 2-х томах.-Ереван: АН APM.CCP.1960.-Ö71 с.
8. Пискунов H.A. Дифференциальное и интегральное исчисление. М.: Наука, 1974 .-376 с.
ФЕДОРОВ Владимир Кузьмич, доктор технических наук, профессор кафедры теоретических основ электротехники.
