среда, 14 ноября 2012 г.

Новая сущность. Часть 15. Гравитационная неустойчивость в Галактике

    Федор Дергачев

    «Царица неустойчивостей» в дисках спиральных галактик

    Не скажу, что вопросами устойчивости диска Галактики никто не занимался. Занимались, и многие, но решение искали в многострадальной «темной материи»:

    «Огромная масса короны требуется не только для удержания довольно быстро двигающихся спутников Галактики и объяснения плоской кривой вращения. Такая масса требуется для стабилизации диска Галактики от неустойчивости и быстрого разрушения. Численные эксперименты по решению задачи N тел (при N порядка и более 10000) показали, что в звёздном диске с наблюдаемой дисперсией скоростей быстро появляется растущее возмущение плотности, напоминающее бар пересеченных спиральных галактик. В конце концов, весь диск собирается в такой бар. Но эта неустойчивость подавляется, если ввести корону, обладающую, при низкой плотности, большой массой». (Локтин А.В., Марсаков В.А. «Звёздная астрономия в лекциях». §15.4. Составные модели Галактики).

    И снова вынужден напомнить, что «сферически-симметричная материальная оболочка не создает никакого гравитационного поля во внутренней полости». (Новиков И.Д. «Эволюция Вселенной», стр. 15-16). Поэтому любая «корона с большой массой» на окраине Галактики нисколько не придаст устойчивости внутренней части диска.
    Еще более удивительные «компоненты» предлагается вводить в случае «нестыковок» в объяснении формы кривой вращения:


Спиральная галактика

Подсистема
α0, кпк
M (1010 M¤ )
ε
Ядро
0.005
0.009
0.6
Балдж
0.2
0.45
0.6
Гало
2
1.2
0.3
Диск I
4.6
7.7
0.1
Диск II
1.0
-0.4
0.45
Плоская I
6.4
1.0
0.02
Плоская II
5.1
-0.6
0.025
Корона
75
110
1

Таблица 15-1. Параметры модели Галактики согласно Эйнасто и др.

    «Здесь α0 есть размер сфероида в плоскости Галактики, М - масса в солнечных массах, ε = b00 - сплюснутость сфероида. Параметры подсистем находятся путем подбора так, чтобы воспроизвести наблюдаемую кривую вращения и систему галактических постоянных. Для ядра параметры взяты по аналогии с ядром туманности Андромеды. Радиус и масса балджа определены по первому максимуму кривой вращения. Радиус гало определен на основании данных о пространственном распределении шаровых скоплений, а масса - по данным о плотности и градиенте плотности звёзд населения II-го типа в окрестностях Солнца. При определении параметров диска в этой модели не удается воспроизвести форму кривой вращения в области минимума, если использовать экспоненциальное убывание плотности от центра Галактики. Поэтому приходится вводить компоненты отрицательной массы [?! – Ф.Д.], отмеченные в табл.15-1 римской цифрой II». (Локтин А.В., Марсаков В.А. «Звёздная астрономия в лекциях». §15.4. Составные модели Галактики).

    Вообще же о неустойчивостях вряд ли можно сказать лучше академика РАН А.М. Фридмана:
    «Различные неустойчивости, развивающиеся на всех масштабах иерархии структур во Вселенной, являются основной движущей силой эволюции.
    Царица неустойчивостей - гравитационная неустойчивость создала всю наблюдаемую иерархию структур - от звезд и звездных скоплений до галактик и скоплений галактик. В каждом из масштабов функционируют специфические неустойчивости, создающие в системах этого масштаба собственные структуры.
    Уникальным природным полигоном, на котором бурно развивается большинство из известных в Метагалактике неустойчивостей, приводящих далее к созданию регулярных структур, стационарных конвективных потоков, турбулентности и хаосу, являются астрофизические диски, среди которых особое место занимают диски спиральных галактик.
    Богатство структур, наблюдаемых в дисках спиральных галактик, является следствием многочисленных развивающихся в этих дисках коллективных процессов, как линейных, так и нелинейных. Большинство из них встречается в астрономических объектах других масштабов, но не всегда столь явно себя проявляет, как в спиральных галактиках - уникальной природной лаборатории коллективных явлений». (Фридман А.М. «Предсказание и открытие новых структур в спиральных галактиках». 1. Введение).

    Сравним две массы.
    Первая – масса сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики Млечный путь – составляет 3 млн масс Солнца или 3∙106∙М¤.
    Вторая – полная масса Галактики.
    «Последняя оценка полной массы Галактики из этих соображений привела к значению (1.8 - 2.5)∙1012∙М¤ по результатам работы японских астрономов Сакамото, Чиба и Бирса в 2003 году». (Локтин А.В., Марсаков В.А. «Звёздная астрономия в лекциях». §15.4. Составные модели Галактики).
    «Полная масса Млечного Пути (с учетом темной материи) составляет 1.9·1012 масс Солнца (согласно недавней оценке М.И. Уилкинсона и Н.У. Эванса)». («Космология». 1.5. Шаг 5: Наша Галактика).

    Разница – почти в миллион раз. Таким образом, масса черной дыры составляет примерно 0,0001% полной массы Галактики. Тот факт, что, несмотря на это, вращение диска нашей Галактики стабильно, известен. Объяснить имеющуюся стабильность вращения диска в целом с помощью «дежурного» набора теорий уже непросто, а стабильность твердотельного вращения галактического центра – невозможно. Для этого нужно принять новую сущность
    А вот ПОЧЕМУ это сделать «невозможно», попытаюсь сейчас объяснить.

    «Динамика» vs «кинематика»

    Когда я пишу «математические модели вращения звезд», то подразумеваю два вида таковых, не совсем совпадающие друг с другом. Первый вид – чисто кинематический, он же – самый выигрышный для официальной науки, потому что формально может описать любые, самые невероятные движения. О формальном характере некоторых из этих построений хорошо свидетельствует цитата, которую я уже приводил в разделе «Блеск и нищета математических моделей»:

     «Главное впечатление от всех этих исследований довольно простое: формулы ad hoc - "для данного случая" - можно построить всегда, пусть даже компоненты этих формул никоим образом не связаны с какими бы то ни было физическими механизмами, а только подогнаны под готовый результат». («Анатолий Вассерман: Ad hoc». Опубликовано 09 марта 2011 года).

    И действительно – маститые теоретики приводят в монографиях «трехэтажные» уравнения, описывающие траектории звезд и вроде бы неплохо совпадающие с наблюдениями. И, стало быть, теоретики выглядят на этом поле «абсолютными победителями» – ведь траектории-то совпадают, «чего же вы от нас еще хотите»? И не вздумайте спорить – высмеют оппонента, да еще «вытрут о него ноги». Об этом и пишет в вышеприведенной цитате Анатолий Вассерман.

    «...Весь диск [нашей Галактики Млечный путь - Ф.Д.] вращается как единое целое». («Астроном Алексей Расторгуев о возрасте звезд, свойствах галактического диска и рассеянных звездных скоплениях»).  


    Другое дело – динамика, то есть попытка объяснить, почему данное вращение происходит так, а не иначе.
    В качестве примера рассмотрю различие в скоростях вращения плоской и сфероидальной подсистем спиральных галактик. «Оказывается возможным такое своеобразное состояние, когда диск вращается внутри почти неподвижного гало». («Динамика и кинематика Галактики»).
    Более года назад я разбирал «аргументы» официальной науки, пытающейся формально объяснить, каким образом в одних и тех же областях Галактики быстровращающаяся и слабовращающаяся  подсистемы сосуществуют одновременно:

    «Вот пример одного из таких объяснений происхождения «медленного» гало и «сверхбыстрого» диска спиральных галактик:

    «Для дальнейшей эволюции важным оказалось различие в изменении энергии у звёздной и у газовой составляющих Галактики. Выделяющаяся при сжатии гравитационная энергия переходила в кинетическую энергию движения звёзд и газа. Рост кинетической энергии звёздной составляющей довольно быстро остановил её сжатие. Поэтому старые звёзды, родившиеся в начале сжатия протогалактики, в значительной степени сохранили сфероидальное распределение в пространстве, характерное для вещества протогалактики, а также начальное распределение момента вращения. Эти звезды образовали слабовращающееся гало. Газ же терял приобретаемую кинетической энергию в столкновениях газовых облаков: энергия превращалась в теплоту и уносилась в конце концов в виде излучения. Поэтому газ продолжал свободно сжиматься. Но постепенно в газовой среде нарастали центробежные силы, так как вследствие сохранения момента вращения при уменьшении размеров системы увеличивалась её скорость вращения. Когда размеры газовой составляющей уменьшились примерно в десять раз, эти силы уравновесили силу гравитации и остановили сжатие газа в плоскости вращения. Вдоль оси вращения сжатие продолжалось, и в итоге сформировался тонкий газовый диск. Родившиеся в нём звёзды и образовали быстровращающуюся дисковую подсистему». («Подсистемы и население Галактики»).

    Между тем вращательное движение в гравитационном поле имеет свои особенности. При сохранении момента вращения размеры системы могут сколько угодно уменьшаться или увеличиваться, но на одной орбите не должно быть ситуации, когда одни звезды (гало) вращаются со скоростями, предусмотренными ньютоновской динамикой, а другие – «мчатся» в разы быстрее (диск). Даже при самых хитроумных и красивых моделях, придуманных по заказу официальной науки – таких как «темная материя» или модифицированная ньютоновская динамика». (Ф.Д. «Извне. Часть 2. "Звезда - снаряд"». 19 апреля 2011 года).

    Как видно из вышеизложенного, попытки объяснения данного феномена отнюдь не сопровождаются ссылками на количественные динамические модели – и это понятно, потому что красивые траектории звезд кинематически разработаны отдельно друг от друга, и сведение их вместе в полях гравитационных потенциалов приведет только к оглушительному конфузу.

    Перехожу к твердотельному движению звезд в галактическом центре от ядра до точки достижения максимума кривыми вращения. Да, их кинематическое объяснение логично, и я не собираюсь с ним спорить. Звезды действительно находятся на орбитах с последовательно увеличивающимися радиусами, а масса вещества (звезды+газ+центральная черная дыра) внутри этих орбит является источником гравитационного потенциала для формирования движения внешнего слоя. И эта масса внутри орбит, естественно, увеличивается с ростом расстояния от центра. Кинематика вращения звезд описана, вроде бы, верно. Настолько верно, что послушные Интернет-СМИ рапортуют:
    «Близ центра с вращением как раз все в порядкебалдж нашей Галактики вращается как твердое тело до расстояния в 1 кпк от центра (если не считать самых внутренних областей, где сильно влияние «центрального монстра»), т. е. скорость орбитального движения звезд линейно возрастает по мере удаления от центра». («Млечный путь и наше место в нем»).
    Не правда ли, впечатляет реплика «все в порядке», которой автор статьи характеризует твердотельное вращение центральной части диска нашей Галактики? Ведь с помощью этой реплики неподготовленный читатель получает в свое сознание «якорь» (термин из «нейролингвистического программирования» - НЛП): «всем спать», в этой области Галактики «у матросов нет вопросов». Но вот в моем сознании НЛП-шные «якоря» не срабатывают (аналогично Максиму в «Обитаемом острове»), и я начинаю кое-какие вопросы задавать.
    Масса галактического центра составляет 5%, а центральной сверхмассивной черной дыры - 0,0001% от массы Галактики (см. предыдущий раздел «Царица неустойчивостей в дисках спиральных галактик»). Таким образом, масса данной черной дыры – всего лишь две стотысячные или 0,002% от массы галактического центра. Вклад очень скромный, если не сказать более. И тогда встает вопрос уже не о кинематике, а о динамике движения. И объяснить динамику действием ТОЛЬКО гравитационных потенциалов как раз и не получается. В этом случае движение оказалось бы чрезвычайно неустойчивым.
    Итак, с одной стороны, наблюдения показывают наличие устойчивого твердотельного вращения в центре галактических дисков, а с другой стороны – причины указанной устойчивости выходят за границы объяснения с помощью одних лишь гравитационных потенциалов. Что и привело меня к мысли призвать на помощь новую сущность.

    [Последние изменения внесены 17 ноября 2016 года

    «Новая сущность». Часть 16. «Принципы ее действия и истинное название». http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/11/blog-post.html

3 комментария:

  1. FAQ: Химическая эволюция галактик

    4. "В Галактике есть диск, в котором находится и наше Солнце. Для него характерен примерно такой же химический состав, как и для Солнца. Более старые звезды населяют окружающую диск галактики сферическую подсистему, которая называется «гало», в них тяжелых элементов примерно в 100 раз меньше, чем на Солнце. В состав гало входят и звезды с минимальным содержанием тяжелых элементов.

    Сейчас известны звезды, в которых содержание железа более чем в 100000 раз меньше, чем на Солнце. Логично предположить, что именно они являются самыми старыми из выживших звезд Галактики. Но, тем не менее, их нельзя считать самыми первыми звездами в Галактике, поскольку последние вообще не должны были содержать тяжелых элементов, они могли состоять только из тех элементов, которые синтезировались при Большом Взрыве. Довольно много усилий прилагается к тому, чтобы найти эти звезды с нулевым содержанием тяжелых элементов. Рассматриваются разные варианты объяснения их отсутствия. Например, высказываются предположения, что первые звезды были очень массивными и жили очень недолго. Возможно, они существовали еще до возникновения Галактики, возможно, это было самое первое население нашей Галактики. Так или иначе, они образовались, прожили положенное им время, несколько миллионов лет, взорвались, загрязнили догалактическое (или протогалактическое) вещество тяжелыми элементами, а потом из этого слегка загрязненного вещества образовались те звезды, остатки которых мы сегодня наблюдаем. И далее процесс термоядерного синтеза проходил уже в более плавном режиме, постепенно накапливались тяжелые элементы, звезды становились все более богатыми металлами. И в конечном итоге появилось то, что нас окружает..." (Дмитрий Вибе, доктор физико-математических наук, заведующий отдела физики и эволюции звезд Института астрономии РАН. 08 мая 2013 года). http://postnauka.ru/faq/12321

    ОтветитьУдалить
  2. Для вас, "галактические археологи". (2013-11-24, 01:46:00). http://moisav.livejournal.com/184445.html

    Dynamics for galactic archaeology. (By James Binney, Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics, Keble Road, Oxford OX1 3NP, United Kingdom).

    "Abstract

    Our Galaxy is a complex machine in which several processes operate simultaneously: metal-poor gas is accreted, is chemically enriched by dying stars, and then drifts inwards, surrendering its angular momentum to stars; new stars are formed on nearly circular orbits in the equatorial plane and then diffuse through orbit space to eccentric and inclined orbits; the central stellar bar surrenders angular momentum to the surrounding disc and dark halo while acquiring angular momentum from inspiralling gas; the outer parts of the disc are constantly disturbed by satellite objects, both luminous and dark, as they sweep through pericentre. We review the conceptual tools required to bring these complex happenings into focus. Our first concern must be the construction of equilibrium models of the Galaxy, for upon these hang our hopes of determining the Galaxy’s mean gravitational field, which is required for every subsequent step. Ideally our equilibrium model should be formulated so that the secular evolution of the system can be modelled with perturbation theory. Such theory can be used to understand how stars diffuse through orbit space from either the thin gas disc in which we presume disc stars formed, or the debris of an accreted object, the presumed origin of many halo stars. Coupling this understanding to the still very uncertain predictions of the theory of stellar evolution and nucleosynthesis, we can finally extract a complete model of the chemodynamic evolution of our reasonably generic Galaxy. We discuss the relation of such a model to cosmological simulations of galaxy formation, which provide general guidance but cannot be relied on for quantitative detail.

    Introduction

    In this article I will focus on the aspects of Galactic dynamics which seem most relevant to Galactic archaeology. The latter is the endeavour to unravel the Galaxy’s history by measuring the positions, velocities, chemical compositions and if possible the ages of stars. From these data we can in principle determine the orbits of stars, so a major focus must be on how we should characterise orbits and what we can infer about a star’s history from its orbit. The latter raises the questions “how long has the star been on this orbit” and “what was its original Galactic orbit?”. It seems likely that most, perhaps all, disc stars were formed on nearly circular orbits in the plane. By contrast, many, perhaps most, halo stars were released onto eccentric and inclined orbits on the tidal disruption by the Galaxy of the system in which they were born. Therefore in addition to discussing how we can determine the current orbits of stars, we must be able to compute the probability that during the lifetime of a star that orbit can have evolved from either an in-plane circular orbit or a particular eccentric inclined orbit...

    The central assumption of Galactic dynamics is that the galaxy is statistically in a steady state. In reality this assumption is false because the central rotating bar, spiral structure in the disc and infalling objects all cause the distribution of matter to evolve and thus the gravitational field to be time-dependent. However, our strategy must be to start from the assumption of a steady state and then to use perturbation theory to understand how time-dependent effects modify a steady-state model.

    This strategy is possible because the gravitational force is a long-range one, so the force on a star is generally dominated by countless very distant stars rather than by its near neighbours..." http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1387647313000158

    ОтветитьУдалить
  3. Ф.Д: В рубрике «Галактическая сага» на основе сообщений СМИ на тему «У звезд нашли «арахисовые» орбиты» я 2 декабря 2013 года поместил пост «Формирование ядра Млечного пути» http://artefact-2007.blogspot.ru/2013/12/4.html

    В этом материале меня заинтересовала попытка теоретиков создать не только кинематическую, но и динамическую модель вращения ядра Галактики. Любопытно, что о ТВЕРДОТЕЛЬНОМ ВРАЩЕНИИ галактического балджа в публикации даже не упоминается. Непонятно, правда, было ли получено такое РЕАЛЬНОЕ вращение при данном МАТЕМАТИЧЕСКОМ моделировании…

    ОтветитьУдалить