CC BY
5Вероятная связь между плоской формой галактик и их
возрастом
В.А. Жмудь 1 2 3
1 АО «Новосибирский институт программных систем», Россия 2 Институт лазерной физики СО РАН, Россия 3 Алтае-Саянский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки
Геофизической службы РАН
Аннотация. Учет правил теории замкнутых динамических систем позволяет выработать гипотезы и даже теории, объясняющие причины явлений, которые без этого учета непонятны. Например, философы древности не смогли бы понять, по какой причине меньшее из двух небесных тел может обращаться относительно большего, при этом не падать на него. Знание физики и математики даёт понимание того, что подобное движение может сохраняться неограниченно долго, движение при этом не требует никакой толкающей силы, а тот факт, что меньшее тело не падает на большее, объясняется инерцией и удачным сочетанием вектора начальной скорости и положения. По этой причине движение по окружности является устойчивым, т. е. стационарным. Вместо того, чтобы упасть, меньшее тело может совершать обороты по этой стационарной орбите практически без её изменений. Подобный взгляд на движение звезд в галактике позволяет понять причину того, что такие звездные скопления даже не являясь стационарными, все же могут быть в целом стабильными в том смысле, что это скопление не имеет тенденции схлопнуться в единый объект сверхбольшой массы, а имеет тенденцию оставаться скоплением сколь угодно долго. Также внимательное рассмотрение действующих сил позволяет предположить, что в подобных скоплениях возникает тенденция преобразования в плоское скопление, что объясняет плоскую форму многих известных галактик.
Ключевые слова: Астрофизика, галактики, вселенная, динамические системы, теория автоматического управления, обратная связь, гравитация
Введение
Довольно большая часть известных нам галактик имеет приблизительно плоскую форму. Это не может быть случайным. Случайные скопления должны были бы иметь приблизительно шарообразную форму, поскольку нет, казалось бы, никаких оснований для анизотропии, во всех направлениях плотность вещества должна быть в среднем одинаковой. В ещё большей степени произвольная ориентация указанных плоских форм противоречит гипотезе об образовании вселенной вследствие большого взрыва, поскольку если бы астрономические объекты разлетались бы от общего исторического центра их возникновения, тогда имелась бы некоторая тенденция движения в плоскости, проходящей через прямую, направленную из центра этого гипотетического взрыва к местоположению указанных астрономических объектов. Факт уплощенных форм галактик и произвольной ориентации этих плоскостей указывает на то, что для этой закономерности имеются внутренние причины, связанные с движением звезд в этих скоплениях.
Данная статья делает предположение о том, что уплощение формы галактики является следствием её развития. Логично предположить начальную приблизительную сферическую симметрию. Обратная связь в подобной динамической системе действует таким образом, что видоизменяет форму галактики в сторону более плоской структуры. Данная
гипотеза подкреплена некоторыми
основаниями. Эта статья развивает высказанную гипотезу о причинах спиралевидной формы галактики [1].
Положительная обратная связь
ПРИ СВЕРХБОЛЬШИХ РАССТОЯНИЯХ
Несомненно, любые два или более астрономических тела, которые длительно могут оставаться отдельными телами, это система тел. Изучение поведения такой системы должно происходить на основе физических законов, которые приводят к созданию системы уравнений. Эти уравнения обязательно содержат зависимость параметров от времени, а также они образуют замкнутое кольцо уравнений.
Например, если мы описываем поведение малого тела в координатах, привязанных к более массивному телу, тогда получим следующую систему:
8(г) = ЯУ, г); (1)
У(г) = /(А, г); (2)
А(г) = /3(¥, г); (3)
¥(г) = /¿б, г). (4)
Здесь 8 - вектор положения (координат), V -вектор скоростей, А - вектор ускорений, ¥ -вектор сил, г - время, / - функции, зависящие от аргументов и от времени.
Такое кольцо уравнений может быть представлено в виде структурной схемы, описывающей эту систему. На этой структурной схемы вследствие наличие этого кольца обязательно имеется замкнутый контур (петля)
взаимного влияния сигналов. Поведение такой структуры обязательно должно изучаться с привлечением теории автоматического управления, иначе называемой теорией замкнутых динамических систем.
Такие контуры могут оказаться устойчивыми или неустойчивыми, причем неустойчивость может проявляться по-разному.
Прикладная математика, используемая в этой теории, даёт обоснованные решения, которые показывают, как будет развиваться движение в подобных системах в зависимости от начальных условий и от динамических и статических соотношений, связывающих между собой все величины, описывающие движение таких систем.
Рассуждения о
СТАЦИОНАРНОСТИ СКОПЛЕНИЯ
Простейший анализ показывает, что если имеется спонтанное скопление тел, обладающих гравитацией, то эти тела должны притягиваться к центру масс этого скопления. Поэтому кажется странным, что галактики выглядят отнюдь не как это случайное скопление, в котором каждая из звезд движется к центру. Если бы имела место подобная картина, то чем старше была бы галактика, тем большая масса звезд собиралась бы в итоге такого движения именно в центре галактики, образуя наиболее массивное тело, которое должно бы было быть и наиболее ярким.
Даже если предположить, что в центре некоторых галактик находится так называемая «черная дыра», и если предположить, что «черная дыра» - это результат сжатия большого астрономического тела, то эта гипотеза не подтверждается наблюдениями, поскольку, как правило, в центре галактики нет наиболее большого скопления светящихся астрономических объектов. В случае правильности такой гипотезы, черная дыра в центре имела бы место только в наиболее старых галактиках, как результат сжатия наиболее яркого астрономического тела в её центре. Должны были бы наблюдаться кое-где и галактики, находящиеся на предыдущих стадиях развития. Следовательно, должны были бы наблюдаться и относительно более молодые галактики, в центре которых находилось бы наиболее яркое тело. Такого нет.
Большинство наблюдаемых галактик в центре не имеет более яркого скопления материи, нежели на периферии.
Гипотеза о причинах такого явления высказана в работе [1]. Она основана на том, что, как известно, внутри полого астероида или полой планеты или полой звезды не должно быть гравитации, поскольку гравитация от отдельных фрагментов такого тела уравновешивает гравитацию от фрагментов, лежащих на противоположной стороне от центра этого тела.
Этот закон переносится и на скопление объектов, расположенных преимущественно вблизи некоторой сферической поверхности или в области тора.
Если представить приблизительно шаровое скопление астрономических объектов, допустим, с равномерной плотностью этого скопления, тогда получается, что на периферии этого скопления гравитационные силы явно направлены к центру этого скопления. Но в центре этого скопления гравитационные силы практически настолько малы, что можно считать, что они отсутствуют. Таким образом, по мере приближения от периферии к центру, астрономическое тело, двигающееся в этом направлении, должно быть подвержено изначально действию большой силы притяжения, которая затем постепенно снижается, а в центре этого скопления такая сила станет равной нулю.
Разумеется, тело, двигающееся под действием инерции и при воздействии этой пренебрежимо малой силы, никогда не остановится в центре скопления, потому что оно будет продолжать движение по инерции. Как только тело начнет удаляться от центра, указанная сила вновь начнет нарастать уже в противоположном направлении, причем, сначала она будет не слишком большой величины. Далее эта сила будет постепенно нарастать и достигнет своего максимума на периферии, как показано на Рис. 1.
Рис. 1. Пример зависимости силы гравитации ¥ от расстояния 5 до центра звездного скопления
Следовательно, каждая отдельная звезда отнюдь не будет двигаться к центру галактики с той целью, чтобы остаться там фатально навсегда. Вместо этого каждая звезда будет всего лишь двигаться к центру с нарастающей скоростью, но со снижающимся ускорением. В центре скопления это ускорение будет равно нулю, следовательно, тело продолжит прямолинейное движение, которое будет уже из центра к периферии. Таким образом, если рассмотреть это движение на большом времени за большое количество подобных циклов, то можно утверждать, что каждая звезда будет совершать колебательные движения от периферии к центру, далее от центра к противоположному краю периферии, а затем обратно, и так - многократно. Остаться в центре галактики навсегда звезда практически не имеет
шансов. Звезды, таким образом, перемещаются, сохраняя это скопление в целом таким же большим, каким оно было изначально. Вероятно, возможно постепенное изменение размеров этого скопления, однако оно не является ни бесконечным расширением, ни бесконечным сжатием. Для скопления определенной суммарной массы объектов при заданном изначальном количестве звезд в данной галактике существует наиболее устойчивое окончательное состояние, при котором среднестатистический диаметр этого скопления в целом (в среднем) не изменяется во времени. Если же изначально диаметр такой галактики был больше, чем это оптимальное устойчивое значение, тогда галактика постепенно сжимается к этому окончательному состоянию. А если изначальное состояние таково, что средний диаметр меньше этого оптимального устойчивого значения, тогда галактика будет расширяться вследствие указанного проявления элементарных законов природы - гравитации, инерции, теории замкнутых динамических систем.
Таким образом, можно предположить, что чем старше галактика, тем стабильнее её средний диаметр.
Рассуждения о плоской форме
Наряду с этим существуют и действуют ещё две закономерности.
Первая закономерность состоит в стремлении звезд в те области, которые условно назовем секторами, где имеется больше звезд по их совокупной массе. По этой причине Структура галактик, как правило, видится не как равномерное распределение звезд в плоскости, а как несколько отдельных спиралей, которые просматриваются достаточно четко.
Вторая закономерность, которую нигде ранее не пытались объяснить, состоит в плоской форме большого количества галактик. Это объясняется тем, что при малейшей изначальной асимметрии, такая асимметрия имеет тенденцию усиливаться. Поэтому если, например, представим скопление в виде шара, имеющего условные координаты как «север» и «юг», то в случае, если по какой-то причине в сечении, проходящем, например, через экватор такого скопления, звезд оказалось больше, чем в любом другом сечении, то результирующая сила, действующая на каждую из звезд, всегда будет иметь отклонение в сторону этой плоскости, как показано на Рис. 2.
Траектория каждой отдельной звезды в таком случае будет, разумеется, колебаться около центра, как сказано выше. При этом траектория любой звезды в целом имеет тенденцию полностью перейти в экваториальную плоскость. Поскольку понятие «экваториальная» плоскость в данном случае выбрано случайно, такое рассуждение можно
проделать в отношении именно той плоскости, в которой изначально находится больше звезд, чем в любых других плоскостях, проведенных через центр масс этого скопления.
Рис. 2. Различные результирующие компоненты сил, действующих на гипотетическое астрономическое тело в зависимости от его нахождения по отношению к плоскости, в которой сосредоточены остальные астрономические тела: при нахождении объекта выше плоскости силы направлены вниз, при нахождении ниже плоскости силы направлены вверх, при нахождении в плоскости силы направлены к центру скопления и убывают по мере приближения к центру
Таким образом, каждая галактика при наличии хотя бы какой-то несимметрии распределения массы, будет постепенно стремиться приобрести плоскую форму.
На этом основании можно сделать вывод, что чем более плоскую форму имеет та или иная галактика, тем она старше.
Та же закономерность в отношении орбит спутников ЗВЕЗД И планет
Нельзя исключать, что эта же закономерность привела к тому, что в Солнечной системе все планеты лежат в одной плоскости. Причиной этого может быть то, что в среднем на орбиту каждой планеты действует гравитационная сила, заставляющая эту орбиту укладываться в плоскость, в которой сосредоточена основная масса всех планет. Такое предположение является одной из двух возможных теорий, объясняющих причину того, что все планеты лежат в одной плоскости. Другая теория состоит в том, что все планеты возникли одновременно вследствие распада некоторого внешнего по отношению к Солнцу тела. Согласно этой теории, все фрагменты этого тела, которые превратились в планеты или астероиды, остались в той же плоскости, в которой находилась изначальная траектория этого тела и центр масс Солнца. Это не исключает, что также какая-то часть этого тела попала на Солнце и стала её частью, а какая-то другая часть навсегда покинула Солнце и Солнечную систему.
Современная наука предполагает, что возраст не всех планет солнечной системы совпадает, возраст некоторых планет отличается от возраста других планет, мнения науки на эту тему регулярно изменяется.
Если возраст планет отличается, тогда в этом случае практически невозможно объяснить случайным совпадением тот факт, что все планеты движутся в одной плоскости, если не принять предлагаемую теорию. Этот феномен может быть объяснен тем, что такое движение более устойчиво, чем движение в разных плоскостях, поэтому даже если изначально движение планет происходило в разных плоскостях, то их взаимная гравитация заставила эти планеты двигаться в одной плоскости.
Этим же самым эффектом может быть объяснен тот факт, что орбиты многих спутников многих планет также лежат приблизительно в одной плоскости, включая орбиты малых объектов, астероидов, сгустков льда и тому подобных объектов, например, объектов, образующих кольца Сатурна, Юпитера, Урана, Нептуна и других планет [2].
Заключение
Данная статья впервые выдвигает гипотезу о причинах плоской формы галактик. Эта причина может объяснять также тенденцию к формированию плоской формы орбит планет,
обращающихся около звезд, а также плоской формы колец вокруг многих планет.
Литература
[1] В.А. Жмудь. Почему закручены галактики. Автоматика и программная инженерия. 2018. № 3 (25). С. 99-105. Ключевые слова: общая физика, астрофизика, механика, релятивизм, теория относительности, галактики, спираль, звезды, Солнечная система. ISBN 2312-4997 http://www.jurnal.nips.ru/sites/default/files/AaSI-3-2018-10.pdf
[2] https://ru.wikipedia.org/wiki/Кольца планет
Вадим Жмудь - заместитель директора АО «НИПС», доцент, доктор технических наук, главный научный сотрудник ИЛФ СО РАН.
E-mail: oao nips@bk.ru
630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева,
д. 6/1
Поступила 20.12.2021.
Possible Relation Between Flatness of Galaxies and Their Ages
V.A. Zhmud 1 2 3 1 Novosibirsk Institute of Program Systems, Russia 2 Institute of Laser Physics SB RAS, Russia 3 Altae-Sayan Branch of the Federal State Budgetary Institution of Science of the Geophysical
Service of the RAS
Abstract. Taking into account the rules of the theory of closed dynamic systems makes it possible to develop hypotheses and even theories that explain the causes of phenomena that are incomprehensible without this consideration. For example, the philosophers of antiquity could not understand why the smaller of the two celestial bodies can revolve relative to the larger, while not falling on it. Knowledge of physics and mathematics gives an understanding that such a movement can persist indefinitely, while the movement does not require any pushing force, and the fact that a smaller body does not fall for a larger one is explained by inertia and a successful combination of the initial velocity and position vector. For this reason, the movement around the circle is stable, that is, stationary. Instead of falling, the smaller body can revolve in this stationary orbit with little or no change. This view of the motion of stars in the galaxy allows us to understand the reason that such star clusters, even if they are not stationary, can still be generally stable in the sense that this cluster does not tend to collapse into a single object of very large mass, but tends to remain a cluster as long as you like. A close examination of the forces acting also suggests that such clusters tend to transform into a flat cluster, which explains the flat shape of many known galaxies.
Key words: Astrophysics, galaxies, universe, dynamical systems, automatic control theory, feedback, gravity
References
[1] В.А. Жмудь. Почему закручены галактики. Автоматика и программная инженерия. 2018. № 3 (25). С. 99-105. Ключевые слова: общая физика, астрофизика, механика, релятивизм, теория относительности, галактики, спираль, звезды, Солнечная система. ISBN 2312-4997 http://www.jurnal.nips.ru/sites/default/files/AaSI-3-2018-10.pdf
[2] https://ru.wikipedia.org/wiki/Кольца планет
Vadim Zhmud - Vice-Director of NIPS, Associate Professor, Doctor of Technical Sciences, Chief Researcher of the ILP SB RAS.
E-mail: oao nips@bk.ru
630090, Novosibirsk,
str. Prosp. Lavrientieva, h. 6/1
The paper has been received on 20/12/2021.
