Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Красного смещения галактик и квазаров



Повторим основные понятия.

1. Красное смещение.

Рисунок 1 иллюстрирует эффект Доплера:

Рис. 1

Атомы всех элементов излучают свет в виде линейчатого спектра. Спектры элементов уникальны. Если источник света удаляется от нас, то весь набор линий как одно целое сдвигается в область более длинных волн к красному участку спектра. Чем больше скорость удаляющегося источника, тем больше сдвиг. В этом и состоит оптический эффект Доплера. Так как весь набор линий сдвигается к красному участку спектра, то для краткости говорят, что линии краснеют. Так возник термин "красное смещение".

2. Закон Хаббла.

На рис.2 показана оригинальная диаграмма зависимости скорости удаления галактик от расстояния до них, построенная Хабблом в 1929 г. для трёх десятков ближайших галактик. Скорость удаления галактики определялась по красному смещению. Усреднённое значение скорости в зависимости от расстояния изображено пунктирной линией. Верхняя пунктирная линия получена Хабблом, а линия, расположенная ниже, - более позднее уточнение.

Рис. 2

На основании этой диаграммы была получена прямая пропорциональная зависимость между красным смещением линий в спектре галактики и расстоянием до неё, которая в общем виде записывается так:

cz = Hr,

где c - скорость света, z – красное смещение, r - расстояние. Коэффициент пропорциональности H был назван постоянной Хаббла. Хаббл определил ее значение как ~50 км сек-1 Мпк-1. На сегодняшний день H оценивается как равная примерно 70 км/(с·Мпк) (километров в секунду на мегапарсек; 1 Мпк приблизительно равен 3,3 миллионам световых лет).

3. Звёзды, по которым определяют расстояние до галактик.

Цефеиды . Цефеиды – это гигантские пульсирующие звёзды. Они в 103—105 раз ярче Солнца. При пульсации светимость звезды изменяется в 2-6 раза. Период пульсации 1-200 суток. Между периодом пульсации и светимостью звезды существует строгая зависимость. Поэтому сопоставив период пульсации цефеиды с видимым её блеском определяют расстояние до звезды, а значит и до галактики к которой она принадлежит. За это свойство цефеиды прозвали маяками Вселенной.

Сверхновые I типа. Сверхновые звёзды – это звёзды, светимость которых при вспышке превышает светимость Солнца в десятки и сотни тысяч раз. Вспыхнувшая звезда достигает максимума светимости в течение нескольких суток, затем в течение нескольких суток светимость её максимальна, а потом резко убывает. Отмечены случаи, когда светимость сверхновой в несколько раз превышала суммарную светимость материнской галактики. На рис. 3 типичная кривая блеска сверхновой звезды I типа.

 

Рис. 3

Сверхновые звёзды бывают двух типов. Определение расстояния до галактики со вспыхнувшей сверхновой можно произвести по сверхновым I типа. По спектру сверхновой I определяют её светимость. Сравнение светимости звезды с видимой её величиной сразу же даёт расстояние до сверхновой, а значит и до галактики, в которой она находится.

Замечание. По цефеидам определяют расстояние до сравнительно близких галактик, в которых ещё можно различить отдельные звёзды. По сверхновой I можно определить расстояние до любой галактики, в том числе и до чрезвычайно удалённой.

Существует немалое число наблюдательных данных, не укладывающихся в рамки гипотезы космологического происхождения красных смещений галактик и квазаров. Молес и Ноталле (1981) отмечают, что красное смещение галактик в скоплениях зависит от морфологического типа и наличия радиоизлучения. Гирауд (1881) и Силентик (1977) обнаруживают бόльшие красные смещения у спиральных галактик в скоплениях, чем у галактик других морфологических типов. Киил (1982) указывает на существование квазаров с различными красными смещениями, группирующихся вокруг ярких галактик. Арп (1982) наблюдает галактики со спутником, имеющие существенно различные красные смещения; он же (1982 б) отмечает наличие физической связи между галактиками и квазарами, обладающими различными по величине красными смещениями. Ходж (1974), Льюис (1975) указывают на систематические отличия между лучевыми скоростями галактик, определенными по оптическим и радионаблюдениям. Янг и др. обращают внимание на множественность красных смещений одного объекта, определенных по разным сериям абсорбционных линий. Киппер (1975) отмечает существование корреляции между яркостью галактик и их красным смещением.

Перечисленные здесь, а также некоторые другие свидетельства, заставляют подвергнуть сомнению правильность гипотезы о космологической природе красных смещений. Так, Киппер (1974) приходит к выводу, что только около 10% величины красных смещений может иметь доплеровский характер. Боросон и Окс (1982) на основании факта смещения в голубую часть спектра на 300-500 км/с эмиссии ядра 3С48 по сравнению с эмиссионными линиями галактики также высказывают сомнения относительно космологического характера красных смещений. Мельников и Попов (1975) утверждают, что красные смещения удаленных галактик содержат часть, не укладывающуюся в рамки космологической природы. Кароджи и др. (1975), высказывают сомнение в космологической природе красных смещений на основании наблюдательного факта приобретения дополнительного смещения излучением, проходящим через скопление галактик. Уисрамасингх и др. (1975) считают возможным объяснение происхождения 3-градусного фонового излучения без привлечения гипотезы о расширении Вселенной и высказывают соответствующую идею.

Перейдем к рассмотрению идеи некосмологической природы красных смещений. Идея высказывается в расчете на интуитивное понимание основных положений идеи.

4. Об аккреции газа на ядро галактики и излучении галактики.

Дадим краткий обзор публикаций, в которых аккреции газа на ядро галактики придается важное энергетическое значение, а также публикаций, в которых некоторые наблюдаемые явления интерпретируются, как свидетельства существования аккреции.Из-за наличия фона ночного неба радиус R видимой части галактики убывает с ростом расстояния r до галактики R~ . Вследствие этого излучение звезд видимой части галактики убывает по закону Iзв ~ .Излучение аккрецирующего газа из видимой части галактики убывает по закону Iаккр ~ , q<2. То есть с ростом r Iзв убывает быстрее, чем Iаккр. Вследствие этого для каждой галактики существует некоторое критическое расстояние rкр, такое, что при r>rкр наблюдатель фиксирует преимущественно излучение аккрецирующего газа в линиях. При r<rкр в излучении галактики преобладает непрерывное излучение звезд.

На теоретические предпосылки существования аккреции межгалактического газа на ядро галактики указывают многие авторы. Аккрецией объясняют светимость и спектр скопления галактик Такахара и Икеучи (1975), Фабиан и Нульсен (1977), Шибазаки и Хеши (1976). Хоффман и др. (1976) строят модель непрерывной аккреции газа для объяснения некоторых свойств галактик. Бергерон (1980), Витмайр и Матис (1977) с помощью аккреции объясняют источник энергии активных ядер. Пелат и др. (1981) считают, что для объяснения наблюдаемой светимости сейфертовской галактики достаточно скорости аккреции в 1М в год. Базу и Бхаттачария (1980), Риис (1981) и Силк (1976) объясняют аккрецией рост массы центральных тел галактик и их скоплений. Рубин и др.(1982) предполагают, что активность ядер галактик в группах галактик поддерживается аккрецией.

Иногда указывают на возможное существование противоположного аккреции явления, называемого галактическим ветром (Брегма (1978) ). Однако наблюдательных данных подтверждающих это предположение практически нет. Горбацкий (1979) высказывает сомнение относительно существования галактического ветра.

Если все же галактический ветер существует, то он, вряд ли сможет препятствовать течению аккреции межгалактического газа, так как в области предполагаемого существования галактического ветра энергия аккрецирующих частиц на 3-4 порядка больше возможной энергии частиц галактического ветра.

Имеются многочисленные данные, подтверждающие существование аккреции газа на ядро галактики или центральную галактику скопления. Так, у некоторых галактик наблюдается система волокон, которую Форд и Батчер (1979), Гриндей и др.(1980) интерпретируют как аккрецию на ядро галактики. Гордон и Готтесман (1981) обнаруживают падение газа на ядро у 32-х голубых компактных галактик из выборки в 99 галактик. Кулхане (1980), Нульсен и др.(1982) отмечают признаки аккреции газа на центральную область скоплений. Из работ Фабиона и др. (1981), Пелата и др.(1981),Канизареса и др. (1980) следует, что скорость аккреции газа меняется в широких пределах, достигая М=400 М в год, и зависит в первую очередь от массы галактики и температуры окружающего галактику газа.

Оценим вклад излучения аккрецирующего газа в излучение галактики в зависимости от расстояния r до галактики.

Астрономический объект не может быть зафиксирован, если его блеск не превосходит флуктуаций фона ночного неба .

 

Рис 4.

 

На рис.4 горизонтальной линией показана максимальная величина флуктуаций ночного неба sIф ≈ 0,01 Iф. Кривые I, II, и III изображают блеск одиночной площадки диска одной и той же галактики, но расположенной от наблюдателя на разных расстояниях r1<r2<r3. По горизонтальной оси отложено расстояние R от площадки до центра галактики. Радиус видимой части галактики, расположенной на расстоянии r1 , равен R1. Для галактики, расположенной на расстоянии r2>r1, радиус видимой части R2<R1. Галактика, расположенная на расстоянии r3, не видна. Таким образом, радиус R видимой части галактики убывает с ростом расстояния r до галактики, что в первом приближении может быть аппроксимировано зависимостью R ~ .

Соответственно убывает излучение звезд Iзв видимой части галактики, так как убывает масса вещества М (R), заключенная в этой части. Считая плотность ядра галактики однородной, получаем оценку

~ ~ ~ .

Плотность газа, аккрецирующего на галактику из межгалактического пространства, возрастает с уменьшением расстояния R до центра галактики по закону , q<2.

Оценка показателя q<2 определяется тем, что аккрецирующий газ ускоряется и, следовательно, в более глубоких слоях галактики скорость его выше, чем во внешних слоях.

Соответственно излучение аккрецирующего газа Iаккр, заключенного в объеме радиуса R ,можно оценить так:

где Е(R)- кинетическая энергия аккрецирующей частицы.

Из сравнения оценок Iзв и Iаккр видим, что с увеличением расстояния r до галактики излучение звезд видимой части галактики убывает значительно быстрей, чем излучение аккрецирующего газа, заключенного в том же объеме. Вследствие этого для каждой галактики существует некоторое критическое расстояние rкр такое, что для r>rкр выполняется условие Iаккр> Iзв .

Это означает, что для достаточного удаленных галактик наблюдатель фиксирует преимущественно излучение аккрецирующего газа в линиях, а не непрерывное излучение звезд галактики.

При r<rкр в излучении галактики преобладает непрерывное излучение звезд.

Вышепоказано, что в спектрах массивных или далеких галактик доминирует излучение газа, аккрецирующего на ядро галактики.

Ближе к наблюдателю расположенный падающий газ удаляется от наблюдателя с некоторой скоростью, зависящей от массы галактики М и от расстояния частицы от центра галактики R,

V=V(M,R).

При излучении частицы, движущейся с этой скоростью, фотон приобретает красное смещение доплеровской природы

zD=zD(M,R),

хотя сама галактика может быть неподвижной относительно наблюдателя.

После излучения по направлению к наблюдателю фотон преодолевает тяготение галактики и приобретает дополнительное красное смещение гравитационной природы

zG=MG/Rc2,

(G – гравитационная постоянная, c – скорость света).

Итоговое красное смещение z будет содержать оба компонента и определится по формуле

z= zG +zD+ zGּzD или z= (1+zG )(1+zD) - 1

Поскольку оба компонента zG и zD полного красного смещения z растут с ростом массы М галактики и уменьшением расстояния R излучающей области до центра галактики, то можно считать, что полное красное смещение z является функцией массы М и расстояния R излучающей области до центра галактики

z= z(М, R). (1)

Как видим, в механизме возникновения красных смещений играют важную роль два явления: аккреция газа на ядро и гравитация.

Предлагается предварительно назвать механизм аккреционно-гравитационным или (ради краткости) AG – механизмом.

Равенство (1), выражающее в общем виде AG – механизм, говорит, что величина красных смещений зависит от массы галактик и их компактности. Действительно, существуют наблюдательные данные, подтверждающие существование таких зависимостей. Связь между компактностью галактик и их красными смещениями отмечают Льюис (1975) и Арп (1974).

Массы радиогалактик обычно на порядок и больше превосходят массы нормальных галактик. Из AG – механизма следует, что красные смещения радиогалактик должны втрое и более превосходить красные смещения нормальных галактик. Действительно, этот факт ярко демонстрируется на диаграмме «Блеск – красное смещение» [Ленг (1978)], на которой радиогалактики расположены выше прямой регрессии для нормальных галактик.

Красные смещения близких галактик определяются тремя способами:

1) по звездному (абсорбционному) спектру;

2) по спектру излучения ионизированных облаков водорода Н׀׀;

3) по излучению на волне 21 см облаков нейтрального водорода.

При этом применяется либо метод длинной щели спектрографа, либо метод короткой щели для определения лучевых скоростей во многих точках видимого изображения галактики, по которым в итоге находят среднюю лучевую скорость галактики.

В последующих работах будет показано, что AG – механизм не работает в полную меру для близких галактик.

Во всех случаях определения лучевых скоростей близких галактик находятся их собственные (не космологические) скорости, которые обычно заключены, как отмечает Зонн (1978), в пределах -1000<V<1000 км/с.

Таким образом, при достаточно большой массе галактик М мощность излучения газа, аккрецирующего на галактику, превзойдет мощность излучения звезд галактики. Суть идеи о некосмологическом красном смещении состоит в следующем. Газ, аккрецирующий на ядро галактики и расположенный к наблюдателю ближе ядра, удаляется от наблюдателя со скоростью V, зависящей от массы галактики и расстояния R до её центра V=V(M,R). Фотон, излученный удаляющейся частицей, имеет красное допплеровское смещение zD=zD(V,R). Двигаясь к наблюдателю, этот фотон преодолевает тяготение галактики и приобретает дополнительное красное смещение гравитационной природы zG= zG(M,R). Суммарное красное смещение фотона окажется равным z= zD+ zG +zD· zG.

Полученные результаты могут быть использованы для объяснения красных смещений галактик и квазаров без привлечения гипотезы о расширении Вселенной.

Итак, суть аккреционно-гравитационной гипотезы о природе красного смещения такова. Наблюдаемые красные смещения галактик и квазаров обусловлены двумя явлениями - аккрецией межгалактического газа на ядро галактики и флуктуациями неустранимого фона ночного неба.

Основное возражение, выдвигаемое обычно против объяснения красных смещений аккрецией межгалактического газа на ядро галактики, состоит в следующем. Температура межгалактического газа находится в пределах 107÷108 ºК. При такой температуре газ полностью ионизован. Отсюда следует, что будет иметь место дисковая аккреция, которая не может дать больших значений красного смещения. Поэтому наблюдаемые в некоторых случаях большие красные смещения можно объяснить только разбеганием галактик, но не аккрецией.

Однако, проведенные различными учеными расчёты показали, что при аккреции газа одновременно идут два процесса:

- охлаждение за счет излучения;

- нагревание за счет перехода части энергии аккреции во внутреннюю энергию газа.

В результате действия этих процессов в каждой части галактики устанавливается некоторая равновесная температура. Изначально присущее межгалактическому газу тепло излучается на отрезке от начала аккреции до радиуса галактики. При дальнейшем сжатии аккрецирующий газ медленно нагревается от нескольких десятков градусов на краю галактики до нескольких сот градусов в глубоких слоях галактики. Такая температура недостаточна для ионизации газа. Следовательно межгалактический газ аккрецирует преимущественно как нейтральный и будет иметь место не дисковая, а сферическая аккреция, которая может дать сколь угодно большие красные смещения.

Вторая составляющая аккреционно-гравитационного механизма красного смещения – это флуктуации фона ночного неба. Фон ночного неба слагается в основном из трёх составляющих:

- излучение от далеких, слабых галактик,

- галактический фон (излучение слабых и ненаблюдаемых звезд нашей Галактики и рассеянное на межпланетной пыли излучение Солнца),

- свечение атмосферы, вызванное фотохимическими процессами в ее верхних слоях.

Небольшой вклад в фон ночного неба вносит также микроволновое фоновое излучение, флуктуации которого были недавно открыты. Внеатмосферные наблюдения влияния фона ночного неба не устраняют.

Насколько удалось установить из публикаций различных авторов, влияние фона ночного неба при построении космологических теорий никогда ранее не учитывалось. Эта идея целиком и полностью принадлежит В.М. Антонову. Суть её такова. Астрономический объект не может быть зафиксирован, если его блеск не превосходит флуктуаций блеска (фона) ночного неба; величина флуктуаций фона ночного неба порядка одного процента от фона. Из-за наличия флуктуаций фона ночного неба радиус видимойчасти галактики убывает с ростом расстояния до галактики. Из-за наличия фона ночного неба для близких галактик фиксируется преимущественно излучение звёзд, а для далёких галактик фиксируется излучение из глубоких слоёв галактики, где доминирует рекомбинационное излучение аккрецирующего газа. Так как аккрецирующий газ удаляется от наблюдателя, то это вносит вклад в фиксируемое красное смещение галактики.

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.