1.5 Крупномасштабная структура Вселенной: происхождение спиральных Галактик

В рамках альтернативного сценария возникновения Вселенной рассматривается происхождение спиральных галактик [171].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 БНТ. 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.

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, 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, имеются 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 [16] отождествил квазары и объекты типа BL Lас 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 галактик, предложенной Э. Хабблом, и которая сохраняет центральное значение до настоящего времени. Около 25% изученных галактик имеет сферическую или эллиптическую форму, поэтому их назвали эллиптическими и в классификации обозначают символом Е. Другой самый распространенный тип галактик-их около 50%-имеют два или более клочковатых спиральных «рукава»,образующих плоский диск, а в центральной области галактики расположено сфероидальное ядро. Такие галактики называются спиральными и в классификации обозначаются символом S. Классификация Э.Хаббла разбивает все галактики на четыре типа (рис. 2):

ЕО-тип- включает в себя сферические галактики;

Е - тип - включает в себя эллиптические галактики;

S - тип -включает в себя галактики с нормальными спиральными «рукавами»;

SВ-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 → Sc и SВ → SBa → SBb → SBc, соответствующие переходу от сильно закрученных спиральных «рукавов» к слабо закрученным.

Важным элементом в классификации является то, что видимые наблюдаемые 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 Sc - галактик сопровождается уменьшением массы ядра галактики. При этом уменьшается роль сферической подсистемы в направленном вращательном движении вокруг ядра галактики и усиливается роль спиральных «рукавов».

Рис.1. Крабовидная туманность в созвездии Тельца

Рис.2. Типы эллиптических и спиральных галактик

Традиционно это положение интерпретируется таким образом, что спиральные галактики происходят из эллиптических галактик в процессе выброса вещества. Детальные исследования Д.Сулентика скопления галактик в созвездии Девы подтверждают эти соображения [37]. 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 ранее или позднее 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, фотография которой представлена на рис. 3. При этом основная роль в отслеживании спиральной структуры принадлежит зонам Н 1 (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.Амбарцумян предположил, что галактики целиком образуются из сверхплотных тел, остатками которых являются ядра галактик и квазары, наблюдаемые в настоящее время [171]. В рамках эволюционной космологии представлялось возможным описать эти сверхплотные тела как вещество в сингулярном состоянии, задержавшееся в своем расширении по сравнению с основной частью вещества Вселенной. Указанная возможность анализировалась Я.Зельдовичем и И.Новиковым в [110].

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 звезд f (r, t) в пространстве, распространяющуюся по галактическому диску с постоянной угловой скоростью Ω _p, тогда как дифференциальная скорость вращения Ω (r) - это быстро убывающая функции расстояния r от центра спиральной галактики. Такая волна плотности распределения звезд f (r, t) не следует за дифференциальным вращением галактического диска, при этом нет ни распада спиральных «рукавов», ни многократного их закручивания вокруг ядра галактики.

Если Ψ = ƒ΄ (r, t) /ƒ₀ (r), где ƒ΄ (r, t) - малое возмущение функции f (r, t), ƒ₀ (r) - невозмущенное значение функции ƒ (r, t), а ν' (r, t) - малое возмущение гравитационного потенциала ν (r, t), то система уравнений для определения Ψ и ν' (r, t) соответствует уравнению Власова для самосогласованного поля плазмы [6]. Решения для Ψ и ν' (r, t) получаются в виде

Ψ (r, t) = К ехр [i (Ω_p ∙ m t - m φ + Φ (r))] , (1)

ν' (r, t) = R ехр [i (Ω_p∙ m t – m φ + Ф (r))] ,

где m - число спиральных рукавов, К и R - константы, и дают спиральную волну плотности распределения f(r, t), которая вращается с угловой скоростью Ω_ρ и с фазой Ф (r), зависящей от r. Длина волны плотности распределения звезд ƒ(r, t) определяется как

λ = 2π / К = 2π / dΦ /dr, (2)

где К = dФ / dr - волновое число.

Когда dФ / dr >> 1, Φ(r) – меняется быстро, λ - мало, что соответствует туго закрученной спирали и наоборот, dФ / dr - мало, Ф (r) меняется очень медленно, λ - велико, что соответствует слабо закрученной спирали. Если dФ / dr < 0, то спиральные «рукава» закручиваются, т.е.спиральные «рукава» раскрываются против направления вращения, если dФ/dr > 0, то спиральные «рукава» раскручиваются, т.е. спиральные «рукава» раскрываются в направлении вращения.

Во Вселенной реализуется закручивающиеся спиральные «рукава», следовательно, Ф(r) изменяется все медленнее с увеличением r. Зависимость Ф (r) представляет из себя спираль Архимеда,

dФ / dr = К → r = Ф / К + r₀ , (3)

где r₀ - радиус ядра галактики.

В. 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 ƒ (r, t) есть только следствие, а не причина возникновения спиральных «рукавов».

Второй способ предполагает следующее. Выброс вещества из эллиптической галактики происходит в плоскости ее вращения. Пусть, и это наиболее важная гипотеза, принятая в данном разделе, и наиболее важный момент в рассуждениях автора, траектория выброса вещества пересекает линии напряженности поля тяготения ядра галактики под одним и тем же углом α , tg α = z. Тем самым в космологию и астрофизику вводится новый информационный параметр- неизменный по величине для конкретной спиральной галактики угол α .

Угловой коэффициент dy / dx = tg β касательной к силовой линии поля тяготения y = ƒ(x) галактики и угловой коэффициент dy_r/ dx_r = tgγ касательной к траектории выброса вещества y_r = ƒ (x_r) связаны соотношением tg β = tg (γ - α). Это соотношение следует из того, что 180 - γ = 180 – ( α + β) → γ = α + β , β = γ – α. Необходимые геометрические соотношения показаны на рис.4. Поскольку tg β = tg (γ - α) = ( tg γ – tg α) / (1+tg γ · tg α), то

(4)

Траектория силовых линий поля тяготения галактики как одиночного тела определенной массы М представляет собой прямые линии y = С x, 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 провести данную силовую линию. Начало силовой линии- на бесконечности, конец силовой линии- на ядре галактики. Отсюда

, (5)

Интегрируя это однородное дифференциальное уравнение, получаем

. (6)

Если перейти к полярным координатам ρ и θ, то из (6) получим

ℓn(ρ / c) =θ / z → ρ = C . (7)

Если θ = 0, то ρ = C = r₀, r₀ –радиус ядра спиральной галактики.

Траектория выброса вещества эллиптической галактики определяется по формуле:

р = r₀ (8)

Эта траектория представляет собой логарифмическую спираль. Отметим, что если z >> 1, α → π/2, ρ = r₀ → r₀ (1 + θ/z) = r₀ + r₀ ∙ θ/z и логарифмическая спираль превращается в спираль Архимеда.

Рис.3. Спиральная галактика NGC 5194

Рис. 4. Геометрические соотношения между силовыми линиями и спиральными «рукавами» в плоскости вращения спиральной галактики

Необходимо внести ясность, что в математическом аспекте рассмотрен идеализированный случай и значение угла α 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 α 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 из двух или нескольких источников.

Итак, спиральные «рукава» галактик возникают только в том случае, когда силовые линии поля тяготения галактики пересекаются траекторией частиц вещества, испускаемых центральным телом , под одним и тем же углом α . Экспериментальное определение этого угла по фотографиям спиральных галактик позволит определить скорость истечения частиц вещества и скорость вращения центрального ядра галактики.

Новый информационный параметр- угол α - и его конкретные числовые значения позволят уточнить классификацию спиральных галактик, позволят точнее проводить сравнительный анализ спиральных галактик, позволят 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 α для некоторых спиральных галактик значительно отличаются друг от друга, то ядра спиральных галактик значительно отличаются по массе и имеют различие по скорости вращения. Величина угла α представляется важным информационным параметром при исследовании физических свойств спиральных галактик.

Наличие спиральных «рукавов» у галактик косвенно свидетельствует об изначальном существовании БНТ, его распаде и последующем возникновении космических систем. Вид структур космических систем в их иерархии достаточно часто повторяется, а это означает, что Вселенная вполне возможно является фракталом.