Загадки Млечного Пути

Петр Путенихин

0 220

Бесплатно

Скачать

Отложить Читать отрывок

Загадки Млечного Пути

Путенихин П.В.

m55@mail.ru

Оглавление

Аннотация

Темная материя Млечного Пути

Эволюция галактики Млечный Путь с наблюдаемой кривой вращения

Эволюция галактики Млечный Путь с кеплеровской кривой вращения

Млечный Путь – кривая вращения как твердого тела

Темная материя – парадокс создателя

Происхождение рукавов галактики Млечный Путь

Происхождение рукавов галактики Млечный Путь с наблюдаемой кривой вращения

Литература

Аннотация

Принято считать, что кривая вращения звёзд Млечного Пути имеет вид, отличающийся от кеплеровской кривой, что вызвано влиянием темной материи. Однако, гипотеза о темной материи не устраняет противоречий самих наблюдаемых кривых вращения. Исследование наблюдаемой кривой вращения звёзд Млечного Пути приводит к некоторым неожиданным выводам. С такой кривой вращения рукава галактики, какими сегодня мы их себе представляем, могли возникнуть только при крайне сомнительных условиях.

Статья содержит анимированные иллюстрации, на которых галактика показана в различные моменты её эволюции. Анимации имеют большой объём, поэтому для их загрузки может потребоваться некоторое время.

Ключевые слова: темная материя, наблюдаемая кривая вращения, кеплеровская кривая вращения, спрямляющая кривая вращения, галактические рукава, аппроксимация рукавов, уравнения рукавов в полярных координатах, черная дыра, джет, анимация

Темная материя Млечного Пути

Космологические исследования характера движения звёзд Млечного Пути выявили особенности, которые оказалось невозможным объяснить в рамках современных физических теорий: механики Ньютона, теории относительности Эйнштейна. Проблему попытались решить введением новой субстанции – темной материи.

Суть выявленных особенностей движения состоит в том, что скорости движения звёзд галактики не подчиняются законам небесной механики. Измеренные скорости не соответствуют стабильному состоянию и форме галактики. Распределение скоростей звёзд, выражаемое в кривой вращения, таково, что галактика должна попросту распасться. Кривая вращения звёзд галактики – это график, показывающий тангенциальную скорость звезды (то есть, перпендикулярную к радиусу вращения) в зависимости от её удалённости от центра галактики (рис.2).

Однако, принято считать, что Млечный Путь и все другие галактические образования стабильны на протяжении достаточно длительного периода времени. Следовательно, на своих орбитах в составе галактики звёзды удерживаются этой субстанцией – темной материей.

Казалось бы, проблема в принципе решена, и остаётся только найти эту темную материю. Но это лишь в первом приближении. Почему-то в предложенной модели осталось без внимания одно важное обстоятельство. Та кривая вращения, которая сформирована на основе астрономических наблюдений, не отвечает основному предположению – стабильности галактики. Если звёзды, образующие рукава Млечного Пути движутся приблизительно с теми скоростями, которые формируют наблюдаемую кривую вращения, то рукава галактики не могут быть стабильны даже на протяжении весьма короткого времени – одного или двух оборотов галактики. Другими словами, с измеренной кривой вращения форма рукавов галактики не может быть такой, какой мы их себе представляем.

(вырезано)

Полный текст статьи можно найти в книге:

ББК 22.313ф

УДК 53.1. 530.12, 530.16, 531.131.1, 530.145.1

Путенихин П.В.

П90 Мнимые и реальные парадоксы теории относительности. — Барнаул: ИП Колмогоров А.И., 2017. – 320 с., илл.

ISBN 978-5-91556-347-5

Обложка книги: http://samlib.ru/img/p/putenihin_p_w/mw_037/mw_037-0.png

Специальная теория относительности является одной из красивейших физических теорий. Создана она по строгим математическим, логическим законам. Такая теория в принципе не может быть опровергнута никакими математическими приемами. Но теорию распространили на реальный физический мир, и в этом случае её истинность может быть доказана или опровергнута только корректными физическими экспериментами. Но и корректную математику теории можно разрушить, если выйти за границы её применимости – распространить её на сверхсветовые сигналы, за которыми теория начинает делать абсурдные выводы. Казалось бы, проблемы исчезнут, если отказаться от такого расширения теории. Но квантовая механика показывает, что избежать реальных сверхсветовых парадоксов причинности теория не может.

Книга рекомендуется ведущим специалистам в области теории относительности и квантовой физики, как сторонникам, так и критикам теории относительности, а также всем, кто интересуется этими областями физики.

ISBN 978-5-91556-347-5

putenikhin.peter@gmail.com

Текст представлен для ознакомления. Изображения и анимации в книге представлены в виде последовательности кадров. Нумерация рисунков здесь и в книге не совпадает.

Эволюция галактики Млечный Путь с наблюдаемой кривой вращения

Известное в литературе изображение формы галактики Млечный Путь, если смотреть на её плоскость, получено на основе астрономических наблюдений. Выглядит наша галактика в таком ракурсе как показано на рисунке:

Рис.1 Карта галактики Млечный Путь [1]

(вырезано)

Кривая вращения галактики Млечный Путь, построенная на основе астрономических наблюдений, имеет следующий вид:

Рис.2 Кривые скоростей вращения звёзд галактики Млечный Путь [2].

(вырезано)

Изображать для анимации галактику Млечный Путь с высокой детализацией нет особой необходимости. Нас будет интересовать качественный вид движения групп звёзд в рукавах галактики. Движение каждой звезды в отдельности для нас не представляет интереса. Поэтому звёзды в галактике мы изобразим укрупненно, как они сгруппированы в рукава. Такой способ изображения галактики не редкость. В интернете можно найти, например, такие изображения:

Рис.3 Изображение галактики Млечный Путь в виде укрупненных структур.

(вырезано)

И всё это теперь можно увидеть на полученной анимированной математической модели галактики Млечный Путь в самой наглядной форме.

Установим длительность движения галактики на анимации в 350-700 млн. лет, то есть 1-2 оборота периферийных звёзд. Шаг кадров на анимации принят в 1 млн. лет. Для удобства использования помимо элементов (рукавов) галактики, как указано в описании алгоритма, также была оцифрована кривая вращения и составлена таблица скоростей в зависимости от удалённости звёзд от центра галактики.

Теперь, имея оцифрованные данные элементов галактики и скоростей, мы можем на анимации привести галактику во вращение. Каждый элемент рукавов движется по окружности со скоростью, соответствующей его удалённости от центра. В результате расчетов мы получаем анимацию как серию последовательных состояний галактики:

Рис.4 Схематичное анимированное изображение галактики Млечный Путь (анимация)

Здесь следует отметить довольно распространенный способ изображения галактики. В различных научно-популярных фильмах вращение спиральных галактик показывается как вращение твёрдого тела и в разных направлениях. Очевидно, однако, что галактика Млечный Путь вращается по часовой стрелке и совсем не как твёрдое тело, а слабый разброс скоростей движения звёзд в галактике приводит к тому, что рукава со временем закручиваются всё больше. Из этого следует, соответственно, что в прошлом рукава, видимо, были закручены меньше. На следующем кадре из приведённой выше анимации это хорошо видно:

Рис.5 Вид галактики 167 млн. лет назад – кадр из анимации:
http://samolit.com/images/BookImages/87922/c43ff78b9a22c2a715c4df0f52095594.gif.

Этот кадр анимации соответствует повороту галактики Млечный Путь в прошлое на 167 млн. лет. Картина, как и ожидалось, получилась довольно странная. Видно, что рукава при обратном вращении галактики в определенной степени распрямились и даже начали закручиваться в обратную сторону. Если принять во внимание все четыре рукава, то они образовали своеобразный крест. В дальнейшем это обстоятельство мы рассмотрим подробнее. Заметим, что эта картина соответствует состоянию рукавов галактики Млечный Путь всего половину оборота назад.

Продолжив анимированное вращение галактики в прошлое, мы увидим, как примерно 600 млн. лет назад рукава полностью меняют направление закрутки:

Рис.6 Вид галактики Млечный Путь 600 млн. лет назад – кадр из анимации:
http://samolit.com/images/BookImages/87922/c0a330e29ed3c092b8401288e4b2211b.gif.

На рисунке кадр из анимации приведёт в двух видах: справа для большей наглядности все рукава галактики изображены одним цветом, так лучше заметно, что галактика выглядит как практически сплошной диск.

(вырезано)

Рассмотрев различные модели эволюции галактики в прошлом, мы не можем избежать естественного вопроса: а как будет двигаться, эволюционировать наша галактика в будущем? Ответ на этот вопрос можно легко получить, просто запустив таймер на анимации в будущее. Рассмотрим состояние галактики в течение следующего оборота её спиральной структуры. Вот что получилось:

Рис.7 Вид галактики Млечный Путь через 200 млн. лет (анимация)

(вырезано)

Таким образом:

если бы звёзды в галактике Млечный Путь двигались согласно измеренной (наблюдаемой) кривой вращения хотя бы на протяжении всего нескольких её циклов вращения, то внешний вид галактики существенно отличался бы от того, что мы видим в настоящее время;

гипотеза о темной материи решает, как считается, проблему кривых вращения, которые, строго говоря, сформулированы в довольно спорной форме, вызывающей недоверие к самому факту существования таких кривых.

(вырезано)

Эволюция галактики Млечный Путь с кеплеровской кривой вращения

Итак, как было выше обнаружено, с наблюдаемой кривой вращения галактика должна была быть парадоксально «закручена» в обратную сторону всего два периода назад – около 600 млн. лет. Напротив, в течение следующих нескольких оборотов она должна полностью лишиться рукавов, которые равномерно рассеются по её диску.

Конечно, можно сослаться на высказанное в предыдущем разделе предположение, что измеренная кривая вращения нестабильна и отражает лишь нынешнее состояние галактики, являются мгновенными снимками в их истории, которые явно не указывают на их прошлое и будущее.

Однако, сначала попробуем выяснить, какой вид имела бы галактика в различные моменты времени её существования, если бы кривые вращения были всё-таки кеплеровскими. Ведь возникает странная ситуация. Казалось бы, недостаток массы не позволяет звёздам в галактике двигаться по кеплеровским орбитам. Добавление темной материи в этом случае, как следовало бы ожидать, должно было сделать наблюдаемые орбиты кеплеровскими.

(вырезано)

Для этого вновь возьмём одно из имеющихся в интернете изображений галактики Млечный Путь рис.1, аппроксимируем её рукава на этот раз плавными геометрическими линиями и нанесём их для наглядности на изображение галактики, чтобы быть уверенными, что аналитические выражения точно повторяют контуры рукавов:

Рис.8 На изображение галактики Млечный Путь [5] нанесены тонкие желтые аппроксимирующие линии рукавов Norma и Perseus.

Вспомним, что первоначально, при исследовании наблюдаемой кривой вращения, аппроксимация рукавов галактики была сделана в табличном виде. Этот способ более точный, поскольку в нём отсутствуют приближения и сглаживания рукавов. Но для исследования он более трудоёмкий как при создании таблиц, так и при их использовании, поскольку требует постоянного обращения к ним. В этом отношении гладкие аналитические функции существенно удобнее, поскольку значение координат определяется простым решением уравнений, а для составления таблицы не требуется считывание координат рукавов с рисунка.

Подберём такие аналитические функции для новой аппроксимации рукавов.

(вырезано)

К слову, следует отметить, что в названиях, наименованиях рукавов в интернете обнаружены некоторые разночтения, как показано на рисунке:

Рис.9 Рукава галактики Млечный Путь обозначают с некоторыми разночтениями

Видим, что одному и тому же рукаву разные авторы присваивают разные названия. Например, рукав Perseus Arm на левом рисунке [5] обозначен как Рукав Щита-Центавра на рисунке справа [6], а на рисунке в центре [4] он изображен с иной траекторией. Рукав на рисунке слева Norma Arm обозначен на рисунке справа как Рукав Персея, а на рисунке в центре также имеет иную траекторию и обозначен как Norma-Perseus+1. В дальнейшем мы будем использовать обозначения и траектории рукавов, соответствующие рисунку 1 (на рис.9 этот рисунок находится слева), но будем рассматривать только два основных рукава.

Теперь, имея аналитические выражения (функции) элементов галактики и кривую вращения, мы можем на анимации привести галактику во вращение. Алгоритм вращения (анимации) описан в предыдущем разделе. Каждый элемент рукавов движется по окружности со скоростью, соответствующей его удалённости от центра. Для каждого текущего момента времени (кадра анимации) вычисляем новые координаты этих элементов и строим по ним рукава полностью.

В результате расчетов мы получаем анимацию как серию последовательных состояний галактики - кадров:

Рис.10 Вращение галактики Млечный Путь на 200 млн. лет в будущее и на 600 млн. лет в прошлое.

Эта анимация приведена для сравнения, как напоминание. На ней в цикле показано движение галактики с наблюдаемой кривой вращения на 200 млн. лет в будущее, затем движение на 600 млн. лет в прошлое.

(вырезано)

На следующем, первом из выбранных графиков кеплеровская кривая расположена достаточно далеко от центра и лишь частично затрагивает рассматриваемые рукава, выходя даже за траекторию Солнца. Поэтому потребуется продлить эту кеплеровскую кривую вверх и влево:

Рис.11 Кеплеровская кривая вращения, вариант [7]

В литературе часто при упоминании отклонения кривой вращения звёзд галактик от законов Кеплера приводят для сравнения кеплеровскую кривую вращения планет в солнечной системе. При этом центру галактики приравнивается Солнце, а роль звёзд в галактических рукавах, очевидно, выполняют планеты солнечной системы:

Рис.12 Кеплеровская кривая вращения в солнечной системе [8]

Другими словами, делается предположение, что кривая вращения звёзд в галактиках должна иметь подобный вид, то есть форму гиперболической кривой. Обычно в литературе полная форма такой кеплеровской кривой вращения для звёзд галактик не приводится. В интернете удалось найти едва ли не единственный пример полноразмерной кеплеровской кривой вращения для галактики Млечный Путь. Это приблизительная форма такой кривой вращения (красная штриховая линия), рассчитанная с использованием законов Кеплера:

Рис. 13 Эскиз фактической кривой вращения Млечного Пути (сплошная голубая линия) [8]. Пунктирная красная линия, что мы ожидаем от использования закона Кеплера при вычислении кривой вращения.

Отмечается, что на больших радиусах, скорости звёзд значительно больше, чем в кеплеровском случае, и считается, что это свидетельствует о существовании дополнительного вещества (материи) на больших удалениях от центра галактики. Это отклонение в скоростях рассматривается как косвенный способ показать существование темной материи в галактиках.

Чаще представляется вариант кривой из предположения, что наблюдаемая кривая вращения ограничена сверху на начальном участке, поэтому кеплеровская кривая вращения изображается с отсечённой верхней частью как на следующем рисунке. Вместе с тем, на нём также видна только отдалённая, внешняя часть кривой вращения, относящаяся к звёздам, находящимся далеко за орбитой вращения солнечной системы:

Рис. 14 Фактическая Кривая вращения и движение по Кеплеру [9]

На этом графике кеплеровская кривая также расположена слишком далеко от центра и, казалось бы, фактически не затрагивает рассматриваемые рукава. Однако, данную компиляцию двух разных кривых вращения следует, пожалуй, признать некорректной. Изображённый на ней фрагмент кеплеровской кривой вращения, как и выше, следовало бы продлить влево вверх, поскольку именно там формируется основная часть рукавов галактики.

В литературе можно найти и такие варианты комбинации наблюдаемой и кеплеровской кривых вращения, в которых сглаживание перехода от одной кривой к другой производится более корректно - от первого максимума наблюдаемой кривой вращения:

Рис. 15 Кривые дифференциального вращения галактик [10]

Поскольку нас интересует именно средняя часть области рукавов, то, очевидно, нам следует продлить рассмотренные кривые вращения на эти области. Главное, что следует принять при вычислении таких кеплеровских кривых вращения галактики Млечный Путь – это то, что она имеет явную гиперболическую форму.

(вырезано)

Первым и простейшим вариантом является выбор двух точек на ниспадающей ветви после первого максимума наблюдаемой кривой вращения. В этом случае мы получим кеплеровскую кривую вращения, полностью совпадающую с рисунками 15 и 13 и достаточно точно визуально повторяющую кривую движения планет в солнечной системе рис.12. Выбираем две такие точки на аппроксимированном (оцифрованном) графике рис.2 и после решения уравнения строим кеплеровскую кривую вращения:

Рис.16 Красная линия – наблюдаемая кривая вращения галактики Млечный Путь, синяя – кеплеровская кривая, вычисленная по уравнению (1) и двум точкам на наблюдаемой кривой рис.2

Сразу можно догадаться, что данная кривая вращения вряд ли сильно изменит характер вращения галактики, поскольку скорость звёзд на окраине галактики, по оценке графика, уменьшилась всего лишь в 2 раза – с 260 до 140. Ожидаемая «правильная» кеплеровская кривая вращения должна быть существенно круче и падать на краю галактики практически до единиц парсек за 1 млн. лет (или километров в секунду), как показано на рис.15. Но при столь незначительном снижении скоростей мы видим на анимации, что визуально картина вращающейся кеплеровской галактики не сильно отличается от вращения по закону скоростей темной материи (с наблюдаемой кривой вращения):

Рис.17 Анимированное изображение галактики Млечный Путь с кеплеровской кривой вращения, аппроксимированной на рис.13, 15, 16.

Эта анимация соответствует кеплеровской кривой вращения, аппроксимированной по рисункам 13, 15 и 16. Как и с наблюдаемой кривой вращения рукава галактики сливаются в сплошной диск всего за неполный оборот в будущее и были закручены в обратную сторону менее, чем два оборота назад, причём также из состояния, напоминающего сплошной диск. Заметим, что мы рассматриваем только два рукава из четырёх, но даже их хватает для полного слияния в сплошной диск. Если взять все четыре рукава галактики Млечный Путь, то визуально рукава будут исчезать на меньших сроках.

(вырезано)

Но мы можем построить по точкам две другие кривые вращения по рис.14 и рис.11. В этом случае есть надежда получить более реалистичные кеплеровские кривые вращения, считая, что рисунки – оригиналы хотя бы приблизительно верно отражают их форму. Мы построим эти кривые прямо на этих рисунках. На рисунке 14 приблизительные координаты точек для кривой: (14, 240) и (35, 130). Аппроксимация даёт такую кривую вращения:

Рис.18 Аппроксимация кеплеровской кривой вращения на рисунке 14.

Подбором уточняем точки, через которые проходит аппроксимирующая гипербола таким образом, чтобы она точно вписывалась в отрезок гиперболы на рисунке. Видим, что совпадение кривых удовлетворительное, хотя и заметно, что на начальном (дорисованном) интервале гипербола должна быть несколько круче. Характер движения галактики с этой новой кеплеровской кривой вращения заметно отличается от характера движения с наблюдаемой кривой вращения:

Рис.19 Анимированное изображение галактики Млечный Путь с кеплеровской кривой вращения, аппроксимированной на рис.14, 18.

Скорость вращения центральной части галактики и балджа существенно возросла. Галактика в течение нескольких десятков млн. лет закручивается до состояния сплошного, безрукавного диска. Собственно говоря, на данной анимации нам и следует обратить внимание только на эти два обстоятельства. Анимация «закручена» в цикле от 150 млн. лет в будущее до 150 млн. лет в прошлое. Здесь рассмотрен существенно более короткий срок эволюции галактики, поскольку даже на этом коротком периоде заметно, как рукава из «обратной» закрутки в прошлом изменяют закрутку в будущем. И всё это всего за половину оборота внешней структуры галактики. Такая кеплеровская кривая вращения, построенная по реалистичному шаблону приводит всё к тем же парадоксальным выводам, что и наблюдаемая кривая вращения.

Также отметим, что рассмотрены только два рукава из четырех, но и в этом случае они оказываются недолговечными.

В заключение рассмотрим последнюю, третью кеплеровскую кривую вращения, представленную на рис.11. Для её аппроксимации используем точки, через которые должна пройти гипербола полноразмерной кривой вращения (35, 240) и (60, 130). После решения уравнения и ручной подгонки точек, через которые проходит гипербола для её лучшей аппроксимации, получаем следующую картину:

Рис.20 Аппроксимация кеплеровской кривой вращения на рисунке 11.

Здесь исходная кеплеровская кривая вписалась в аналитическую гиперболу не очень хорошо, что связано, видимо, с погрешностью рисунка при печати. Как отмечено, мы предполагаем, что в исходных фрагментах кеплеровских кривых на рассмотренных рисунках учтены все физические характеристики галактики – её масса, распределение масс, гравитационная постоянная, массы звёзд и так далее. При построении на их основе полных кеплеровских кривых мы фактически получаем кривые, также содержащие в своей форме все эти характеристики. Разумеется, исходные кривые являются всё же приблизительными и даже условными, демонстрационными, они не обязаны быть точными, что называется, до трёх знаков после запятой. Но мы и не преследуем цель получить абсолютно точные результаты, нас интересует визуальный, приблизительный характер поведения галактики в процессе её эволюции. По найденной полной кеплеровской кривой вращения мы получаем соответствующую анимацию вращения галактики:

Рис.21 Анимированное изображение галактики Млечный Путь с кеплеровской кривой вращения, аппроксимированной на рис.11, 20.

Практически незаметно каких-либо отличий от предыдущего случая. Скорость вращения центральной части галактики и балджа также существенно возросла. Галактика в течение нескольких десятков млн. лет закручивается до состояния сплошного, безрукавного диска. Как и в предыдущем случае, на данной анимации нам следует обратить внимание только на эти два обстоятельства. Анимация «закручена» в цикле от 150 млн. лет в будущее до 150 млн. лет в прошлое. Здесь также рассмотрен короткий срок эволюции галактики, поскольку даже на этом коротком периоде заметно, как рукава из «обратной» закрутки в прошлом изменяют направление закрутки в будущем. И всё это всего за половину оборота внешней структуры галактики. Такая кеплеровская кривая вращения, построенная по реалистичному шаблону, приводит всё к тем же парадоксальным выводам, что и наблюдаемая кривая вращения.

(вырезано)

Тем не менее, сравнивая эволюцию галактики Млечный Путь с каждой из сформированных здесь кеплеровских кривых вращения, можно прийти к выводу: всего через 150-200 млн. лет галактика из спиральной превратится практически в монолитную дисковую, безрукавную галактику. Этот результат практически не зависит от разброса формы кривых вращения. Анализ, проведённый в предыдущем разделе для наблюдаемой кривой вращения, привёл к схожему результату. На следующем рисунке представлен для сравнения предполагаемый на основе проведённых выше расчетов вид галактики Млечный Путь через 150-200 млн. лет:

Рис.22 Возможно, так будет выглядеть галактика Млечный Путь через 200 млн. лет при движении - a), b), c) - с вычисленными кеплеровскими кривыми вращения и d) – с наблюдаемой кривой вращения (тёмная материя)

(вырезано)

Таким образом, во всех случаях мы получаем всё ту же весьма странную картину:

всего через 150-200 млн. лет, то есть менее чем за один оборот внешней структуры, в галактике Млечный Путь рукава перестанут быть различимыми; галактика превратится в обычную дисковую.

Странность картины состоит не только в том, что галактика претерпит указанные изменения. Не менее странным является и то, что

по какой-то неясной причине именно за следующие 150-200 млн. лет из предполагаемого срока жизни галактики Млечный Путь порядка 10 млрд. лет она претерпит такие деструктивные (для рукавов) изменения.

При этом обращаем внимание, что изменения произойдут для любой модели кривой вращения: и кеплеровской и темной материи. То есть, наблюдаемая форма галактики придёт к указанному итогу независимо от характера рассмотренных кривых вращения.

В этой связи вполне резонно возникает и второй вопрос, а что было те же 150-200 млн. лет назад? Из какого состояния галактика перешла в ныне наблюдаемое? Посмотрим это на анимациях и вновь сгруппируем результаты в один рисунок:

Рис.23 Возможно, так выглядела галактика Млечный Путь 150-200 млн. лет назад при движении - a), b), c) - с вычисленными кеплеровскими кривыми вращения и d) – с наблюдаемой кривой вращения (тёмная материя)

(вырезано)

Если просмотреть в замедленном темпе анимации, то можно определить эти даты. Для кривых вращения рис.16, 18 и 20 и наблюдаемой кривой вращения эти даты, вернее, диапазоны дат, соответственно равны: 55…8; 125…20; 450…70; 280…70 млн. лет назад. Галактика для этих кривых вращения в соответствующие даты «в последний раз», предположительно, имела следующий «обратный» вид:

Рис.24 Возможно, так выглядела галактика Млечный Путь в то время, когда рукава ещё только начали закручиваться в направлении, наблюдаемом в наши дни.

(вырезано)

если галактика была закручена в обратном направлении, то выходит, что при таком характере вращения в далёком прошлом она была закручена ещё сильнее и даже до состояния сплошного диска. По какой причине галактика изменила направление закручивания на противоположное? Почему это произошло буквально на наших глазах, то есть в пределах всего одного цикла вращения?

(вырезано)

Считая, что движение было монотонным, понимаем, что эти точки времени зависят от характера кривой вращения. Казалось бы, они должны быть равны полу-сумме этих времён: 73, 260 и 175 млн. лет назад, соответственно. Однако, просмотр анимации позволяет сделать заключение, что эти времена несколько отличны от полу-сумм. В зависимости от кривых вращения, галактика имела соответствующую среднюю форму во времена 25, 100 и 120 млн. лет назад:

Рис.25 Возможно, так выглядела галактика Млечный Путь в указанное время t, когда рукава находились в промежуточном состоянии закрученности между прямым (нынешним) и обратным (предполагаемым) направлением в зависимости от кривой вращения

(вырезано)

ни одна из возможных кривых вращения галактики Млечный Путь не позволяет в ретроспективе получить исходную форму рукавов, предположительно, близкую к прямым лучам;

и наблюдаемая кривая вращения и вычисленные по законам небесной механики кривые вращения приводят в ретроспективе к изменению направления закрутки рукавов, причём практически в пределах одного оборота галактики, что плохо согласуется с логикой.

Таким образом, в заключение с неизбежностью напрашивается вывод, что наблюдаемая кривая вращения, измеренные скорости звёзд в галактике Млечный Путь не могли иметь таких значений даже на протяжении половины или одного оборота внешней структуры галактики:

следовательно, в отношении галактики Млечный Путь гипотеза о темной материи решает проблему несуществующей или, по меньшей мере, непродолжительной по времени кривой вращения;

возможно, это относится и ко всем другим спиральным галактикам.

Млечный Путь – кривая вращения как твердого тела

Как видим, рассмотрение имеющихся данных о вращении галактики Млечный Путь обнаруживает странное обстоятельство. Если бы галактика двигалась с наблюдаемой или с кеплеровской кривой вращения, то менее, чем два оборота в прошлое или будущее она должна полностью лишиться рукавов, которые туго свернутся, равномерно заполняя весь её диск.

(вырезано)

Использовав аналитическую форму аппроксимации и, опуская промежуточные выкладки, приведём эмпирически найденные уравнения рукавов галактики в полярных координатах:

Рукав Щита-Центавра:

Рукав Лебедя:

Рукав Персея:

Рукав Стрельца:

R = 0,7812φ² + 9,0328φ + 37,739

R = 0,8326φ² + 5,1622φ + 23,540

R = 1,2434φ² + 0,7542φ + 20,068

R = 0,9772φ² - 0,8418φ + 16,568

(2)

Выше мы обнаружили, что на имеющихся в интернете картах Млечного Пути присутствуют некоторые разночтения в названиях его рукавов. Здесь мы будем использовать названия рукавов, как они приведены на следующей карте, взятой из интернета (рис.1):

Рис.26 Карта галактики Млечный Путь [1] с нанесёнными на неё функциональными кривыми, аппроксимирующими форму рукавов.

Для того, чтобы убедиться, что приведённые выше функции достаточно точно повторяют форму рукавов галактики, нанесём их на карту галактики тонкими желтыми линиями. Внимательно присмотревшись к рисунку, можно признать, что совпадение линий и реальной формы рукавов достаточно хорошее. Таким образом, у нас есть уравнения, по которым мы теперь можем построить схему галактики. Удаляем карту-подложку и заменяем тонкие линии на более широкие аналоги рукавов галактики. Теперь галактика Млечный Путь приобретает такой же вид, что и на рассмотренных выше рисунках и анимациях:

Рис.27 Галактика Млечный Путь с рукавами, аппроксимированными аналитическими функциями.

Чтобы рукава сливались меньше и были лучше различимы каждый по себе, раскрашиваем противоположные в одинаковые цвета: красный и горчичный. Полные названия рукавов заменяем на краткие. Теперь у нас есть математическая модель – схематичное изображение галактики Млечный Путь в таком виде, как её изображают в литературе и интернете.

Как и в предыдущих разделах мы принимаем для анимационных исследований, что параметры вращения (движения) галактики были неизменными, по крайней мере, на протяжении двух оборотов её спиральной структуры, то есть порядка 700 млн. лет. В этом случае на анимации нам хорошо видны все описанные выше странности с плотной закруткой рукавов в пределах одного-двух оборотов галактики как в прошлом, так и в будущем. Например, анимационное вращение данной модели галактики с наблюдаемой кривой вращения на 600 млн. лет назад приводит к перекручиванию её рукавов в обратном направлении и их практически полному слиянию в один сплошной диск:

Рис.28 Если наблюдаемая кривая вращения существовала в прошлом, то всего два оборота назад внешней структуры галактики Млечный Путь её рукава были плотно закручены в один сплошной диск.

(вырезано)

Ясно, что условие «твердого вращения» требует одинаковой угловой скорости вращения или близкой к ней всех элементов галактики. Чтобы вычислить такую кривую «твердого вращения», примем за основу тангенциальные скорости звёзд на краю галактики (рукавов). Согласно наблюдениям, эта скорость приблизительно равна 265 км/сек. Радиус, по которому движутся звёзды с такой скоростью, согласно графикам кривой вращения, составляет приблизительно 16 кпс. Следовательно, при равенстве угловых скоростей, звёзды на расстоянии 1 кпс должны двигаться в 260/16 раз медленнее, то есть, со скоростью около 16,5 км/сек. Нанесём вычисленную кривую вращения на график наблюдаемой кривой и соединим её касательной с наблюдаемой кривой вращения, просто чтобы новый график имел более - менее законченный вид:

Рис.29 Кривая вращения галактики Млечный Путь как твердого тела, то есть, без закручивания рукавов, выделена красным цветом

Подставив новую кривую вращения в нашу модель, мы сразу же получаем легко предсказуемый результат - теперь галактика движется без закручивания или раскручивания рукавов на длительных этапах своего вращения.

(вырезано)

Ни на одном из этапов эволюции галактика с такими кривыми вращения не проходит точку, хотя бы с приблизительно выпрямленными рукавами. Напротив, в некоторый средний момент времени между двумя противоположными закрутками рукава галактики имеют странный коленообразный вид, своеобразную двойную закрутку, с участками, закрученными как по ходу, так и против хода вращения:

Рис.30 Галактика Млечный Путь с наблюдаемой кривой вращения имела двойную закрутку.

Имея математическую модель вращения галактики, мы можем попытаться ответить на этот вопрос, принудительно спроектировав такую кривую вращения, при которой галактика Млечный Путь в ретроспективном анализе, то есть, при вращении её в обратном во времени направлении, окажется с выпрямленными рукавами. Или, по крайней мере, частично выпрямленными. Рукава галактики, как мы видим, закручены в разной степени, поэтому при ретроспективе они не обязательно выпрямятся все вместе, синхронно.

(вырезано)

Угол Ω₀, который пройдёт внешняя точка Рукава Лебедя, находим по радиус-вектору этой точки и её скорости. В результате получаем окончательное уравнение для спрямляющей кривой вращения:

И окончательно:

(3)

где:

v_i – искомая скорость i-ой точки галактики

R_i – радиус-вектор i-ой точки галактики

φ_i – текущий угол i-ой точки от внутренней точки рукава

φ₀ – угол дальнего края галактики от внутреннего края рукава

t₀ – время в прошлом, когда рукав был спрямленным

v₀ – скорость дальнего края спрямляемого рукава галактики

R₀ – радиус-вектор дальнего края галактики

Произведём вычисления спрямляющей кривой вращения по найденным уравнениям и изобразим галактику, как она выглядела бы 3 000 млн. лет назад, если бы вращалась с этой кривой вращения. Результат вычислений представляет собой таблицу скоростей для каждого радиуса галактики, то есть удалённости объекта от её центра. Теперь приводим в ретроспективное вращение каждый элемент рукавов галактики с вычисленными для них «спрямляющими» скоростями. На рисунке изображены два статических изображения галактики: в наши дни и 3 000 млн. лет назад:

Рис.31 Около 3 000 млн. лет назад Рукав Лебедя галактики Млечный Путь мог быть прямым.

И здесь мы обнаруживаем неожиданную картину. На рисунке хорошо видно, что помимо Рукава Лебедя также почти выпрямился и Рукав Центавра. Более того, весь вид галактики напоминает крест, который, действительно, мог быть образован двумя парами разлетающихся в разные стороны джетов! Это позволяет сделать предположение, что:

в центре галактики Млечный Путь, вероятно, находились две чёрные дыры, которые почти одновременно «выстрелили» свои джеты, ставшие основой для будущих рукавов галактики.

(вырезано)

Темная материя – парадокс создателя

Казалось бы, обнаруженные астрономами отклонения кривых вращения звёзд и галактик от кеплеровских привести в соответствие с теорией позволила гипотеза о темной материи.

(вырезано)

На рисунке ниже показана наблюдаемая кривая вращения галактики Млечный Путь и вычисленные на её основе время, требуемое каждой звезде на полный оборот вокруг центра, и количество оборотов вокруг центра галактики, которые совершит каждая звезда за, взятые как пример, 400 млн. лет (время, близкое к одному периоду вращения):

Рис.32 Наблюдаемая кривая вращения галактики Млечный Путь [11] и вычисленные на её основе время, требуемое звездам на полный оборот вокруг центра, и количество оборотов вокруг центра галактики, которые они совершат за 400 млн. лет.

Левая вертикальная ось графика – скорость звёзд галактики. Правая вертикальная ось – число оборотов звёзд вокруг центра галактики. Горизонтальная ось – удалённость звёзд от центра галактики.

(вырезано)

За 400 млн. лет каждая звезда сделает различное число оборотов вокруг центра. Чем она ближе к нему, тем больше оборотов. Что интересно, эта зависимость (синий график) очень похожа на кеплеровскую зависимость скоростей:

Рис.33 a) кеплеровская зависимость скоростей планет Солнечной системы [8] и похожий на неё b) график зависимости углового пути звёзд галактики Млечный Путь

(вырезано)

И вновь мы приходим к выявленной выше странной ситуации:

с наблюдаемой ныне кривой вращения «от темной материи» рукава галактики Млечный Путь не могут иметь ту форму, которую на основании астрономических наблюдений и вычислений изображают в литературе.

Либо в последние миллиарды лет кто-то, буквально вручную, «подправляет» форму галактических рукавов. Крайне наивно наделять темную материю такими экзотическими свойствами, почти свойствами разума, позволяющими ей столь замысловато искривлять траектории движения звёзд.

Происхождение рукавов галактики Млечный Путь

Предвзятый и скрупулезный анализ влияния кривой вращения галактики Млечный Путь на форму её рукавов, вынуждает гипотезу о темной материи и наблюдаемую кривую вращения делать едва ли не абсурдные предсказания. Выходит, что гипотеза о темной материи не только не устраняет противоречий наблюдаемой кривой вращения нашей галактики, но, напротив, выявляет парадоксы самих этих кривых.

(вырезано)

С целью рассмотреть вероятных ход процесса формирования рукавов и их эволюции в рамках озвученной гипотезы вновь используем математическую модель вращения галактики Млечный Путь. За исходную форму рукавов, как и ранее, возьмем одно из изображений галактики в интернете (рис.1):

Рис.34 Карта галактики Млечный Путь [1] с нанесёнными на неё функциональными кривыми, аппроксимирующими форму рукавов.

Как и в рассмотренных выше случаях, на карте тонкими желтыми линиями нанесены аппроксимирующие аналитические кривые рукавов. Можно с уверенностью утверждать, что совпадение линий и астрономической формы рукавов достаточно хорошее. Для построения этих линий вновь были составлены аналитические уравнения формы рукавов в полярных координатах следующего вида:

Рукав Щита-Центавра:

Рукав Персея:

Рукав Стрельца:

Рукав Лебедя:

R = 0,1690φ² + 1,9538φ + 8,1629

R = 0,2689φ² + 0,1631φ + 4,3407

R = 0,2114φ² – 0,1821φ + 3,5837

R = 0,1801φ² +1,1166φ + 5,0917

(4)

где:

R – радиус-вектор некоторой точки рукава от центра галактики в кпс

φ – текущий угол этой точки от внутреннего края рукава, в радианах

(вырезано)

Действительно, повернув галактику в математической модели с полученной кривой вращения на заданное время – 3 млрд. лет, мы получаем примерно такой вид рукавов (см. также рис.31, слева):

Рис.35 Так могла выглядеть галактика Млечный Путь 3 000 млн. лет назад в результате коллапса двух звёзд и выброса ими двух пар джетов

Собственно, ничего неожиданного не произошло. Как и ожидалось и было выше определено, Рукав Лебедя выпрямился, а три других лишь приблизительно вытянулись вдоль прямых. Тем не менее, эта картина достаточно хорошо отражает вид галактики, как бы образовавшейся 3 млрд. лет назад из двух пар джетов.

Но здесь есть другой интересный момент. В процессе осуществления построений обнаружился довольно любопытный факт. С помощью аппроксимирующих уравнений рукавов галактики были построены спрямляющие кривые вращения для каждого из рукавов в отдельности. И весьма неожиданно обнаружилось, что для срока спрямления в 3 000 млн. лет все четыре вероятные спрямляющие кривые вращения сами оказались с высокой точностью прямыми линиями:

Рис.36 Кривые вращения – наблюдаемая и спрямляющие за 3 млрд. лет. Сверху уравнение линейного тренда спрямляющей кривой вращения Стрельца.

(вырезано)

Описанный здесь анализ проводился ретроспективно – от наших дней в прошлое. Но для проверки нашей джет-гипотезы явно требуется рассмотреть прямую эволюцию – от появления джетов и до наших дней. Для такой проверки самым непосредственным образом есть, в общем-то, всё необходимое. Мы приняли, что в центре нашей проектируемой галактики находятся две чёрные дыры, «выстрелившие» четыре джета под углом 60 градусов между парами. Этот угол между двумя парами джетов я выбрал, просто «подсмотрев» его в нашей галактике, прокрутив её в прошлое на принятые 3 млрд. лет с кривой вращения, которая распрямила Рукав Лебедя. В конечном счете, была сформирована такая картина исходного вида рукавов модели галактики:

Рис.37 Вид рукавов галактики Млечный Путь в момент их возникновения.

(вырезано)

Длины отрезков джетов мы приняли в точности равными тем, что и на всех предыдущих изображениях. То есть, радиусы от центра галактики концов джетов равны соответствующим радиусам одноименных рукавов галактики. Например, джет Стрелец начинается и заканчивается на тех же орбитах, что и Рукав Стрельца. Угол между осями джетов, как указано, взят равным в точности 60 градусам, а джеты Центавр и Персей расположены строго вертикально. Поведение и вид перемычки (балджа) мы не анализируем и сохраняем её лишь как реально существующий элемент. Теперь строим анимационную модель и смотрим, что произойдёт с джетами через 3 млрд. лет:

Рис.38 Изображение галактики Млечный Путь с рукавами, образованными за 3 млрд. лет из двух пар джетов (слева) и нынешнее её представление (справа). Кривая вращения – выпрямляющая Рукав Лебедя.

(вырезано)

вращение джетов под воздействием кривой вращения, близкой к твердому телу, выпрямляющей кривой вращения с высокой вероятностью приводит к возникновению галактических рукавов. Возможно, именно так образовались рукава галактики Млечный Путь.

(вырезано)

Рис.39 Изображение галактики Млечный Путь с рукавами, образованными за 3 млрд. лет из двух пар джетов (слева) и нынешнее её представление (справа). Кривая вращения – выпрямляющая Рукава Лебедя.

Можно признать, что совпадение достаточно хорошее. Но, может быть, такая же картина будет наблюдаться и с другими кривыми вращения? Для полной объективности картины происхождения рукавов посмотрим, что произойдёт, если кривая вращения будет той, которая сформирована темной материей, наблюдаемой кривой вращения. Произведём вращение джет-рукавов галактики в течение 3 000 млн. лет, используя наблюдаемую кривую вращения. Результат явно отличается от существующей формы галактики. Нет даже близкого сходства. Причём отклонения превысили все мыслимые пределы уже через 600 млн. лет:

Рис.40 Модель галактики Млечный Путь с рукавами - джетами через 600 млн. лет после их образования и вращения с наблюдаемой кривой вращения

(вырезано)

наблюдаемая кривая вращения, заданная темной материей, не способна сформировать известные нам рукава галактики Млечный Путь. Наоборот, она приводит к их деградации.

Происхождение рукавов галактики Млечный Путь с наблюдаемой кривой вращения

(вырезано)

Более того, зависимость оказалась такой, что начиная примерно с 200-300 млн. лет эволюции и менее, спрямляющая кривая вращения начинает приближаться по форме к наблюдаемой кривой вращения. Если выбрать срок, за который рукава из джетов преобразуются в спирали, порядка 120 млн. лет, то эта кривая вращения будет весьма близка по форме к наблюдаемой:

Рис.41 Кривые вращения – наблюдаемая и спрямляющая

(вырезано)

Главное при этом то, что эта спрямляющая кривая вращения довольно неплохо вписывается в наблюдаемые диапазоны скоростей звёзд, то есть, практически согласуется с гипотезой о темной материи. На рисунке штриховой линией добавлен участок перехода её на малые дистанции, поскольку для спрямления (закручивания) рукавов скорости на этих интервалах не задействованы. Запустив математическую модель (анимацию) с исходной формой рукавов галактики, показанной на рис.37 и заданным сроком спрямления, мы получаем следующий результат:

Рис.42 Слева - галактика Млечный Путь с рукавами из джетов. Справа – аппроксимация рукавов в наши дни согласно рис.27.

(вырезано)

Тем не менее, мы можем сделать вывод, что:

вращение джетов под воздействием спрямляющей кривой вращения, близкой к наблюдаемой (темной материи), обязательно приводит к возникновению реалистичных спиральных галактических рукавов. Поэтому можно допустить, что спиральные рукава галактики Млечный Путь возникли таким образом.

Выходит, мы получили новое подтверждение реальности темной материи? Ещё одно доказательство её действенности? И это после того, как предыдущих разделах я пришёл к прямо противоположному выводу:

(вырезано)

Поэтому справедливым следует считать всё-таки выше полученный вывод: под влиянием кривой вращения темной материи из наших гипотетических джетов или реальных спиральных рукавов может получиться только сплошная дисковая, безрукавная галактика. При этом формирование рукавов галактики однозначно определено формой кривой вращения и роль темной материи в этом процессе практически не видна.

26.03.2015 – 21.01.2016

Литература

1. Карта галактики Млечный Путь, URL:
http://dlux.ru/wp-content/uploads/2014/03/1024px-Milky_Way_full_annotated_russian.jpg (Дата обращения 06.12.2015)

2. Кривые скоростей вращения звёзд галактики Млечный Путь, URL:
http://www.phy.olemiss.edu/~cavaglia/courses/Astr_325/extra/galrot.gif

3. Изображение галактики Млечный Путь в виде укрупненных структур, URL:
http://elementy.ru/news?newsid=164647

4. Изображение галактики Млечный Путь в виде укрупненных структур, URL:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/HBASE/astro/galax.html

5. Изображение галактики Млечный Путь, URL:
http://www.astrosurf.com/astrogege/imasite/11/1.jpg

6. Обозначение рукавов галактики Млечный Путь, URL:
http://beta.newsmoldova.ru/images/19430/37/194303790.jpg

7. Кеплеровская кривая вращения за пределами рукавов, URL:
http://astronomy-ru.livejournal.com/1735.html

8. Кеплеровская кривой вращения планет в солнечной системе, URL:
http://www.euhou.net/docupload/files/radiosweden.pdf

9. Фактическая Кривая вращения и движение по Кеплеру, URL:
http://www.astro.ufl.edu/~vicki/AST3019/MilkyWay.ppt

10. Кривые дифференциального вращения галактик, URL:
http://ru.science.wikia.com/wiki/Скрытая_масса

11. Наблюдаемая кривая вращения галактики Млечный Путь, URL:
https://web.njit.edu/~gary/321/Lecture19.html

Сконвертировано и опубликовано на http://SamoLit.com/