- Оглавление -

 

Л.М. Топтунова

2. Аккреционный механизм происхождения красных смещений в спектрах галактик.

Красное смещение излучения галактик объясняется  двумя физическими явлениями: аккрецией межгалактического газа на центр масс галактики и флуктуациями фона ночного неба. Аккреция – это падение вещества на космическое тело из окружающего пространства. Флуктуации — случайные отклонения от среднего значения физических величин. Флуктуации возникают в системах, состоящих из большого числа частиц и принципиально неустранимы.

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.

 Флуктуации фона ночного неба обусловлены в основном тем, что свечение атмосферы изменяется в среднем каждые 2-3 минуты на величину порядка 2%. Кроме того галактическая и внегалактическая составляющие фона могут давать мощные кратковременные световые вспышки, превышающие иногда интенсивность фона в 70 раз.

 В настоящее время практически все астрономические наблюдения произведены с поверхности Земли. Внеатмосферная астрономия делает только первые шаги (телескоп Хаббла, НАСА и др.). Но  даже при внеатмосферных наблюдениях галактик необходимо будет учитывать флуктуации фона ночного неба, так как галактическая и внегалактическая составляющие фона всё равно останутся.

Красное смещение галактик определяется по их спектрам. Известно, что спектры близких и далёких галактик различны. Спектры близких галактик являются  линейчатыми спектрами поглощения (абсорбционными  от латинского absorptio— «поглощать»). Пример такого спектра показан на рис. 1.  В абсорбционном спектре видны линии поглощения, т.е. узкие разрывы в непрерывном распределении излучения. Происхождение этих линий объясняется тем, что полная энергия, которую испускает близкая галактика, представляет сумму излучений от всех ее звезд. А в спектре звезды абсорбционные линии возникают потому, что излучение горячих нижних слоев атмосферы звезды, проходя сквозь более холодные верхние слои, поглощается на некоторых длинах волн, характерных для определенных атомов и молекул.

Рис. 1

 

Спектры далёких галактик являются  линейчатыми спектрами излучения (эмиссионными от слова эмиссия — «испускать»).  Возникновение эмиссионных линий в спектре галактики объясняется так. На центр масс галактики из межгалактического пространства аккрецирует газ. В процессе аккреции газ излучает эмиссионный спектр. Излучение аккрецирующего газа  пропорционально скорости аккреции частиц, которая растет с уменьшением расстояния  до центра галактики. Вследствие этого на непрерывный спектр галактики будут накладываться яркие эмиссионные линии аккрецирующего газа. Так как по отношению к наблюдателю аккрецирующий газ удаляется, то линии спектра газа будут смещены в красную сторону. Если аккрецирующий газ состоит в основном из водорода, то на непрерывном спектре галактики появятся более яркие линии спектра водорода (на рис. 2  показан эмиссионный спектр водорода).

 

Спектр излучения водорода.

Рис. 2

 

 

Есть также галактики, в спектрах которых присутствуют как эмиссионные, так и абсорбционные линии.

Аккреционный механизм красного смещения должен объяснить особенности спектров как близких так и далёких галактик.

Яркость (блеск) видимого диска галактики максимальна в центре диска (ядро галактики) и убывает к его краю. Кривая блеска J(R) единичной площадки диска галактики показана на рис. 3   (R -  расстояние от единичной площадки до центра диска).

 

 

Рис. 3

 

Фон ночного неба Jф, обладает случайными флуктуациями с некоторой средней амплитудой ΔJфconst. 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 tэксп  величина δ уменьшается, наблюдаемость линии в спектре увеличивается, достигая оптимальной при некотором значении экспозиции tопт. При tэксп >  tопт  качество спектра ухудшается. Таким образом, неограниченным увеличением экспозиции полностью устранить отрицательное влияние фона ночного неба нельзя.

С увеличением расстояния r  до галактики её блеск убывает. На рис.4 изображены кривые блеска трёх совершенно одинаковых галактик, но находящиеся на разных расстояниях от наблюдателя:   r3>r2>r1.   Покажем, что в зависимости от расстояния до наблюдателя, спектр галактики будет либо абсорбционным, либо эмиссионным, либо смешанным.

 

Рис. 4

 

Как видно из рис.4 при  удалении галактики её видимый радиус R уменьшается: r2>r1  но  R2<R1 . Если расстояние до галактики равно r3,  то её видимый радиус равен нулю, так как в этом положении галактика ненаблюдаема.

Сравним излучение звёзд и излучение аккрецирующего газа из видимой части галактики. Объём видимой части галактики пропорционален R3. Излучение звёзд и излучение аккрецирующего газа нужно оценивать по одной и той же формуле

 

J = k ·p · R3,

 

где k - коэффициент пропорциональности (в каждом случае свой), а  p - плотность излучающего вещества.

Плотность излучающего звёздного вещества  pзв в ядре галактики можно в первом приближении принять постоянной.  Тогда излучение звёзд Jзв  будет равно

 

Jзв = k1 R3,                                                                (1)

 

где  k1 = kзв ·pзв

При оценке излучения аккрецирующего газа плотность аккрецирующего газа быстро возрастает по направлению к центру галактики. Чтобы оценить плотность газа, свяжем с аккрецирующим газом сферический слой толщины dR  (рис. 5).

 

 

 

Рис. 5

 

 

 

 Если бы внешняя и внутренняя сферы падали на центр галактики с одинаковой скоростью, то плотность газа, заключённого внутри слоя с уменьшением R  возрастала бы со скоростью пропорциональной 1/R2 , так как именно с такой скоростью уменьшался бы объём сферического слоя. Но в глубоких слоях галактики скорость аккрецирующих частиц возрастает до околосветовых  значений. Это получено в расчетах и подтверждается наблюдениями (Воронцов-Вельяминов). В этом случае внутренняя сфера падает на центр быстрее внешней, объём сферического слоя уменьшается медленнее и, соответственно,  плотность аккрецирующего газа возрастает медленнее. Для оценки излучения газа приняли

 

pаккр  ~ 1/R1,5.

 

Тогда излучение аккрецирующего газа из видимой части галактики  будет таким:

 

Jаккр = k2 R1,5.                                                                                                                      (2)

 

Уменьшение видимого радиуса галактики R с увеличением расстояния r до галактики можно приближённо оценить по формуле

R ~,                                                                                                                                 (3)

где показатель p – положительная величина.

Если подставить оценку (3) в выражения  (1) и (2), то получим  формулы для оценки Jзв  и  Jаккр   в зависимости от расстояния  r   до галактики

 

Jзв = k1/ r3p,              Jаккр   = k2/ r1,5p                                                                                 

 

На рис.6  схематически изображены графики этих зависимостей.

 

 

Рис. 6

 

 

 Из сравнения оценок  Jзв и  Jаккр  видим, что с увеличением расстояния r до галактики излучение звезд убывает значительно быстрей, чем излучение аккрецирующего газа, заключенного в том же объеме. Следовательно, для каждой галактики существует некоторое критическое расстояние rкр такое, что при r < rкр будет  Jаккр < Jзв, то есть в спектре галактики будет доминировать излучение звезд, а при r > rкр будет  Jаккр > Jзв, то есть в спектре галактики будет доминировать излучение аккркцирующего газа. При значении r поядка  rкр оба вида излучения будут соизмеримы по мощности. При этом в спектре галактики будут наблюдаться как эмиссионные, так и абсорбционные линии.

Таким образом, аккреционный механизм красного смещения объясняет особенности спектров галактик. Эмиссионные спектры галактик не являются свидетельствами какой-то особой природы этих галактик, а просто свидетельствуют об их удалённости.

 Однако остаётся один вопрос, который требует дальнейшего разъяснения: почему в спектре галактики мы видим, как правило, одну серию линий с определённым красным смещением, а не множество серий с различными красными смещениями. Ведь в спектр видимого диска галактики попадает излучение из всего объёма, соответствующего видимой части галактики.

Ответ на этот вопрос,  а также на некоторые другие интересные вопросы, будет дан в последующих разделах.

 

ЗАМЕЧАНИЕ.  Против аккреционного механизма красных смещений чаще всего выдвигаются следующие два возражения.

Возражение 1.

Межгалактический газ нагрет до десятков миллионов градусов и потому ионизован, то есть его атомы распадаются  на заряженные частицы ( ионы и электроны). Если галактики имеют крупномасштабные  магнитные поля, то заряженные частицы будут приближаться к центру галактики по спирали, как показано на рис 7а (такая аккреция называется дисковой).  Если же у галактики крупномасштабное  магнитное поле отсутствует, то частицы будут  падать на центр галактики по почти прямолинейным линиям, как показано на рис 7б (такая аккреция называется сферической). На рисунках 7а и 7б красными стрелками показано, на какое расстояние удалится от наблюдателя падающая частица для каждого вида аккреции за одинаковое время  при одинаковой скорости. Как видно из рисунков, при спиральной аккреции частица от наблюдателя удаляется значительно медленнее, чем при сферической. Поскольку молчаливо предполагается, что все галактики имеют крупномасштабные магнитные поля, то делается вывод, что аккреция всегда будет дисковой и не сможет дать больших значений красного смещения. Поэтому  наблюдаемые иногда большие красные смещения можно объяснить только разбеганием галактик.

 

Рис. 7

 

Ответ на возражения 1.  Проведенный расчёт (§ 1.17) показал, что при аккреции газа одновременно идут два процесса: охлаждение за счет излучения и 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. Это значит, что межгалактический газ аккрецирует преимущественно как нейтральный и будет иметь место не дисковая, а сферическая аккреция, которая может дать сколь угодно большие красные смещения.

 

Возражение 2.

В предложенном механизме красного смещения рассматривается не сферическая аккреция, а односторонняя -- в ней вещество только падает от наблюдателя. Никаких объяснений того, почему в случае сферической аккреции мы видим только красное  смещенние излучения не представлено. Вещество, падающее на наблюдателя с противоположной стороны должно дать фиолетовое смещение (рис 7б).

Ответ на возражения 2.    В работе показано,  что яркую эмиссионную или абсорбционную линию, смещённую в спектре галактики в красную сторону,  даёт излучение аккрецирующего газа, идущее из тонкого сферического слоя, выделенного на рис 8 цветом (см. § 13.  Возникновение смещённых линий в непрерывном спектре галактик). 

 

 

 

Рис. 8

Аналогичная картина с линиями, смещёнными в фиолетовую сторону. Более детальное исследование процесса возникновения смещённых линий показывает, что линии, смещённые в красную или фиолетовую сторону, создаются излучением аккрецирующего газа, идущего из областей, схематически показанных на рис 9.

 

 

 

Рис. 9

 

Вопросы о том, как возникают эти области и почему линии с фиолетовым смещением всё ещё не зафиксированы, рассмотрены в §§ 1.11,  2.6.

 

 

- Оглавление -