В.М. Антонов, Л.М. Топтунова.

2.4. Гипотеза об аккреционно-гравитационном механизме красных смещений

 

 

Аннотация

 

 

Выдвигается гипотеза: Наблюдаемые красные смещения галактик обусловлены смещением излучения аккрецирующего на ядро галактики газа.

Гипотеза подвергается четырем проверкам:

  1. на возникновение в спектре линии излучения;
  2. на выполнимость закона Хаббла;
  3. на обеспечение наблюдаемых величин красных смещений;
  4. на наличие или отсутствие в спектре линий с фиолетовым смещением.

Все четыре проверки гипотеза успешно выдерживает.

Результаты проверки на наличие или отсутствие серий линий с фиолетовым смещением дают наблюдателю направления поиска серий с фиолетовым смещением и с «псевдофиолетовым» смещением.

 

 

 

--   Оглавление  --

 

 

ГИПОТЕЗА О ПРИРОДЕ КРАСНЫХ СМЕЩЕНИЙ ГАЛАКТИК

 

Из межгалактического пространства на галактику и ядро галактики аккрецирует межгалактический газ. В процессе аккреции газ излучает. В момент излучения фотон приобретает доплеровскую компоненту красного смещения zD, зависящую от массы галактики   М, диаметра  галактик D и расстояния до центра галактики R в момент излучения.

zD = zD (M,D,R).

      В процессе удаления фотона от галактики он приобретает гравитационную компоненту красного смещения

zG = zG (M,D,R). Доплеровская компонента находится по известной формуле

                                    (1)

где лучевая скорость v определяется с учетом размазанности массы галактики, c – скорость света.

      Гравитационная компонента zG  находится по формуле, полученной в §2.2

,                                          (2)

где λ0 - длина волны фотона в системе координат излучающего атома, λD - длина волны фотона, приобретенная в результате эффекта Доплера:

,

где G - гравитационная постоянная,

R0, r - расстояния от центра галактики до точки излучения и до наблюдателя соответственно, M(R) - масса, заключенная в шаре радиуса R.

      Результирующее значение красного смещения z равно сумме

z=zD+zG.                                                                           (3)

 

      Выдвигается гипотеза: наблюдаемые красные смещения галактик обусловлены смещением излучения аккрецирующего газа.

 

 

  1. ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗЫ НА ВОЗНИКНОВЕНИЕ НАБЛЮДАЕМОЙ В СПЕКТРЕ ЛИНИИ ИЗЛУЧЕНИЯ

 

Существует фон ночного неба Iф, обладающий случайными флуктуациями с некоторой амплитудой ΔIфconst. Как показано в предыдущем разделе данной работы (§2.3) участок видимого диска галактики не может быть надежно зафиксирован в спектре, если его блеск не превосходит δּΔ Iф , где δ - малая величина, значение которой зависит от экспозиции при фотографировании спектра. С увеличением экспозиции величина δ уменьшается, наблюдаемость линии в спектре увеличивается, достигая оптимальной при некотором значении экспозиции tопт. При tэкспtопт  качество спектра ухудшается [1].

            На рис. 1 кривые I, II, III  изображают блеск единичной площадки диска трех идентичных галактик, расположенных на расстояниях r1<r2<r3  от наблюдателя в зависимости от расстояния R до центра диска галактики. Как видно из рис.1 при  удалении галактики её видимый радиус уменьшается R1>R2 (R3=0 – в этом положении галактика стала ненаблюдаемой).

 

Рис. 1

Следовательно, зависимость R от r можно аппроксимировать в виде R ~, p>0.

Соответственно убывает излучение звезд

 

Iзв ~ M(R) ~R3~.

 

            Плотность аккрецирующего газа в некотором (любом) объеме выражается формулой

n(R)=, N0=const.

Если E(R) - энергия аккрецирующей частицы, то излучение

Iаккр в объеме радиуса R, можно оценить так:

 

Iаккр ~ E(R) ּR3ּn(R )≥ r -3pּr 1,5p=r -1,5p.

 

 

 

 

 

 

Из отношения Iаккр /Iзв =Br1,5p, B>0, p>0 следует, что при любых В и р всегда найдется такое rk и соответствующее Rk, что будет выполняться неравенство

 

I аккр / Iзв >>1.

 

            В этом случае в излучении объекта преобладает излучение аккрецирующего газа, т.е. излучение в линиях (рис.2 иллюстрирует ситуацию).

 

Рис. 2

 

 

  1. ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗЫ НА ВЫПОЛНИМОСТЬ ЗАКОНА ХАББЛА.

 

Рассмотрим возникновение эмиссионных линий в спектрах галактик. На рис.3 пунктирными линиями показаны сечения поверхностей, для которых излучение аккрецирующего газа для всех их точек имеет одинаковое доплеровское красное смещение zD для наблюдателя P. Cплошными линиями показаны сечения поверхностей с одинаковым гравитационным красным смещением zG. В телесном угле, направленном на наблюдателя и равном ≈600, эти поверхности можно считать соприкасающимися и сферическими. Излучение на избранной волне λ, идущее из различных точек тонкого сферического слоя, заключенного в этом телесном угле, будет иметь одинаковые красные смещения z, z=zD+zG. Следовательно, в точке спектра с координатой  z=zD+zG и шириной Δz будет собрано излучение из всех точек тонкого сферического слоя, заключенного в телесном угле.

 

 

Рис. 3

 

            Излучение из области вне телесного угла в разных точках одной сферической области имеет разные значения смещений z , и, вследствие этого, размазывается по всему спектру.

            Излучение, идущее из более глубоких слоев телесного угла, имеет большее красное смещение z . Интенсивность линии в спектре с красным смещением z определяется отношением ΔI/ Δz , где ΔI   - излучение из слоя толщины ΔR, Δz  - интервал красных смещений, соответствующих толщине слоя ΔR. Результат численного расчета дошедшего до наблюдателя суммарного излучения   в избранной линии λ  из части телесного угла от 10-6RGL до R показан на рис.4 сплошной линией (  RGL - радиус галактики). По вертикальной оси отложены величины  по горизонтальной lg(R/RGL). Параметры галактики, для которой производились расчеты следующие: MG=1044г,  RGL =5·1020см; галактика сфероидальная с очень компактным ядрышком диаметра 2·10-5 RGL , в котором сосредоточено 90% массы галактики; от ядрышка плотность материи в галактике спадает экспоненциально; расстояние до галактик r=5·1026см. Пунктирная линия на рис.4 изображает зависимость lg(δּΔIфּR2)↔lg(R/RGL). Таким образом, на рис.4 сравниваются блеск суммарного излучения из некоторой части телесного угла  с блеском флуктуаций фона ночного неба, с соответствующего участка небесной сферы. При условии

δּΔIфּR2

линия перестает фиксироваться в спектре. В данном случае фиксироваться в спектре будет излучение аккрецирующего газа, идущего из области телесного угла R<10-4 RGL. Из областей, где R>10-4 RGL  линия в спектре не фиксируется.

 

 

Рис. 4

 

Из рис. 4 видно, что за счет излучения из сферического слоя 4ּ10-5<R<10-4 RGL излучение аккрецирующего газа возрастает на порядок по сравнению с суммарным излучением из глубинных  слоев телесного угла. Этот тонкий сферический слой с радиусом Rem≈7∙10-5 RGL  и дает эмиссионную линию в спектре галактики на волне λ с красным смещением z. В данном случае Rem=3ּ1016см ( на верхней горизонтальной оси рис. 4 отложены значения z, соответствующие значениям R/RGL).

            Исследования зависимости z от массы галактики М, диаметра галактики D и расстояния до галактики r, для всех значений r, при которых zD>>zG, привело к соотношению

,   B=const                            (4)

Это соотношение является эквивалентом соотношения Хаббла r=H1z  или . Произведение  при разбросах величин D и М создает разброс в диаграмме Хаббла z mv (рис.5).

            Итак, закон Хаббла следует из аккреционно-гравитационного механизма происхождения красных смещений.

 

 

 

Рис. 5

 

 

  1. ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗЫ НА ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАБЛЮДАЕМЫХ ВЕЛИЧИН КРАСНЫХ СМЕЩЕНИЙ

 

Для объектов с широким спектром масс

1034г ≤ М ≤ 1045г

и диаметров

106смD4ּ1023см

для расстояний

1020см. ≤ r4ּ1027см

были численным методом найдены эмиссионный слой и соответствующее ему значение красного смещения z.

Результаты расчетов показали, что

10-4z6,26.

Наименьшее значение z = 10-4  получено для галактики с М = 1038г., RGL= 3ּ1019см., находящейся на расстоянии r=1020см. (данная «галактика» обладает параметрами крупного звездного скопления, находящегося внутри Галактики).  Наибольшее значение z= 6,26 для галактики с  М=1043г, RGL=5·1019см, находящейся на расстоянии r=5·1026см.

Таким образом, гипотеза объясняет все наблюдаемые в настоящее время величины красных смещений.

 

 

 

 

  1. ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗЫ НА НАЛИЧИЕ ИЛИ ОТСУТСТВИЕ В СПЕКТРЕ ЛИНИЙ С ФИОЛЕТОВЫМ СМЕЩЕНИЕМ

 

Рассмотрим сначала вопрос о линиях излучения и линиях поглощения с фиолетовым смещением для нормальных галактик. Поскольку близкие (т.е. нормальные) галактики не излучают в линиях, то и линий с фиолетовым смещением у них не может быть.

Линий поглощения с фиолетовым смещением, порожденных в аккрецирующем газе, не может быть вообще, т.к. при этом источник непрерывного излучения ближе к наблюдателю, чем поглощающий газ.

Далее вопрос рассматривается для произвольных галактик.

Если линии поглощения в спектре порождены в атмосферах звезд галактики, то в спектре галактики должны существовать линии поглощения с фиолетовым смещением.

Для удобства и ясности построения таблиц значений преобразуем формулы (2) и (3).

По определению zD=, откуда

                                                                    .                          (5)

Обозначим ,  т.е. гравитационное смещение (2) без предыстории  мы обозначаем через  .

В этом случае формула (3) приобретает вид z=zD+(zD+1) или

                                                         z= zD+ + zD                                           (6)

 

Рассмотрим более детально линии излучения с фиолетовым смещением.

Для линий с фиолетовым смещением zD<0, >0.

Обозначим в этом случае , тогда формула результирующего смещения для случая красного zK  и фиолетового zФ смещений запишутся в виде

 

zк =  +zD(1+),

zФ=  -zD(1+).                            (7)

 

Потребуем выполнения условия zф ≤0.

Тогда  - zD - zD   0,

         

Этим условиям удовлетворяют, например, zG = zD=0,5. В этом случае zФ=-0,25; zK=1,25.

Заметим также, что при этом отношение расстояний S между линиями в спектре и ширин линий d будет равно

.

При принятых данных серия линий  = 0,3; 0,4; 0,42 по формулам

 

,

 

преобразуется в серию с красным смещением

 

=0,675;   0,9;   0,945

и в серию с фиолетовым смещением

 

=0,225;  0,3;  0,315.

 

На рис.6 показано положение линии серии до смещения λ0, с красным смещением λK и с фиолетовым смещением λф.

 

 

 

Рис. 6

Найдем условие, при котором zФ>0. В этом случае  - zD - zD >0.

Построим таблицу при  =0,5, в которой zФ и zk  рассчитаны по формулам (7).

 

 

,33

,2

,1

,05

,01

,001

,0001

zK = z0G +zD(1+z0G )

1

,8

,65

,575

,515

,5015

,50015

zФ=  -zD(1+ )

0

,2

,35

,425

,485

,4985

,49985

V=cz, км/с

105

6·104

3·104

1,5·104

3·103

3·102

30

 

Из таблицы следует, что мы давно уже наблюдаем «серии с фиолетовым смещением», которые в спектре проявляют себя в виде серий с красным смещением несколько меньшим, чем смещение с «собственно красным» смещением.

Скорости, показанные в трёх последних столбцах нижней строки таблицы, подсказывают, что мы наблюдаем в этих случаях вращающийся объект, удаляющийся край которого порождает «собственно красное смещение», а приближающийся – «псевдофиолетовое смещение».

Скорости  в первых четырех столбцах нижней строки выражают скорости аккрецирующего газа в области эмиссионной сферы.

Таким образом, аккреционно-гравитационный механизм происхождения красных смещений полностью объясняет ситуацию наличия или отсутствия линий с фиолетовым смещением.

Литература

1. Воронцов-Вельяминов, Внегалактическая астрономия, М., 1978, с.50.