http://www.red-shift.info/_private/t5_60.htm

 

Л.М. Топтунова

Объяснение невероятного факта

22 октября 2013г был опубликован  препринт (предварительное краткое сообщение о научном результате), в котором сообщалось об очередном наблюдении крайне далёкой галактики с красным смещением  z = 7.51 (http://arxiv.org/abs/1310.6031). Сообщалось также, что до этого подобных случаев было всего пять при z =7.008, 7.045, 7.109, 7.213, 7.215. Уникальность этих случаев заключается в том, что их красное смещение было обнаружено по яркой эмиссионной линии Лайман-альфа в спектре галактики. Серия Лаймана — спектральная серия, возникающая в ультрафиолетовой части спектра при свечении раскаленного водорода. Переход электрона со второго уровня на первый и есть Лайман альфа (рис.1). Считается, что появление в спектре Лайман-альфа есть верный признак зарождения новой звезды.

Рис. 1

Разумеется, расстояния до этих шести галактик определялись по красному смещению z.  Возраст галактики с z = 7.51, в препринте определён в 700 миллионов лет после большого взрыва. Поскольку возраст Вселенной согласно теории Большого взрыва равен 13,7 млрд. лет, то это означает, что свет от этой галактики до Земли шёл 13 млрд. лет. Этой галактике было присвоено имя EGSY8p7.

Затруднение с объяснением полученного результата состояло в том, что по линии Лайман-альфа ни EGSY8p7, ни пять галактик  с z =7.008, 7.045, 7.109, 7.213, 7.215 не могли быть обнаружены, если расстояние до них действительно такое, как это получается по красному смещению. Дело в том, что согласно теории Большого взрыва первые несколько сот миллионов лет после взрыва Вселенная была полностью непрозрачной для излучения Лайман-альфа, так как она была заполнена нейтральным водородом, поглощающим это излучение.  

Поэтому авторы публикации были осторожны в оценке своего открытия. Во-первых, объём наблюдений небольшой (всего шесть). Кроме того, по спектру была определена значительная металличность звёзд. А этого согласно теории Большого взрыва не должно быть.

Больше года сделанное сообщение оставалось незамеченным. И вдруг в начале августа 2015г лавиной посыпались восторженные сообщения об открытии сверхдалёкой галактики  EGSY8p7. Оказалось, что наконец-то придумали, как преодолеть затруднение с непрозрачным для Лайман-Альфа водородом в окрестности галактики: вокруг некоторых галактик водород ионизировался раньше, чем вокруг других из-за того, что ионизирующее излучение звезд в таких галактиках было особенно сильным.

Объяснение слабоватое, потому что непонятно, как это из огромного числа галактик только в шести галактиках нашлись мощные звёзды. Но самое главное, это объяснение всё равно не устраняет затруднения с объяснением открытия далёкой галактики по линии Лайман-Альфа.  Уже после опубликования препринта ведущий автор исследования  Ади Цитрин высказал следующее сомнение (http://zn.ua/TECHNOLOGIES/uchenye-obnaruzhili-samuyu-dalekuyu-ot-nashey-planety-galaktiku-184781_.html): "Мы постоянно наблюдаем линию Лайман-альфа в спектрах близлежащих объектов, она является одним из наиболее надежных показателей формирования звезд. Но по мере того, как мы двигаемся вглубь Вселенной и, соответственно, наблюдаем ее на более ранних стадиях, пространство между галактиками оказывается заполнено все большим количеством водородных облаков, которые поглощают этот сигнал".

Действительно, всё дело именно в этих водородных облаках, заполняющих межгалактическое пространство, а также тех 13 миллиардах световых лет, которые должен пройти свет от галактики EGSY8p7 до земных наблюдателей.

В 2013-2015 годах исследовались водородные облака, расположенные между галактиками Андромеда и Треугольника (http://secrets-world.com/space/10034-mezhgalakticheskie-oblaka-globalnoy-kosmicheskoy-pautiny.html). Водород в этих облаках предполагался ионизованным, а значит не поглощающим Лайман-Альфа. Однако зафиксировать эти облака удалось только с помощью радиотелескопа, способного улавливать сигнал, генерируемый нейтральным атомарным водородом. Тем самым было подтверждено, что в межгалактических облаках находится заметное количество нейтрального водорода. Это открытие подтверждает, что наблюдение Лайман-альфа в спектрах очень удалённых галактик невозможно. Пройти 13 млрд. световых лет через многочисленные облака, содержащие нейтральный водород, и сохранить в спектре линию Лайман-альфа – это в одной из публикаций было названо «Невероятный факт» (http://tech.obozrevatel.com/news/45739-neveroyatnyij-fakt-astronomyi-nashli-samuyu-dalekuyu-galaktiku.htm).

Но спектр Лайман-альфа и красным смещением z = 7.51 это наблюдательный факт, хотя и невероятный. А всякий наблюдательный факт должен иметь естественное объяснение. Поскольку на основании теории Большого взрыва объяснить данный факт не удаётся, попробуем дать объяснение, не прибегая к теории Большого взрыва.

В статье «Что такое красное смещение галактик) (https://vk.com/doc310912968_406146738?hash=3cd920f393d35f8923&dl=513f185f5091a94144) показано, что красное смещение галактики обусловлено излучением аккрецирующего газа из тонкого эмиссионного слоя (рис.2)

Рис. 2

Красное смещение галактики содержит доплеровскую и гравитационную компоненты. Доплеровская компонента вызвана удалением аккрецирующего газа от наблюдателя.  Гравитационная компонента определяется работой, затраченной излучённым фотоном на преодоление силы гравитации галактики. В большинстве случаев гравитационной компонентой можно пренебречь. Но в данном случае нужно рассматривать полное красное смещение z, содержащее и доплеровскую и гравитационную компоненты.

Для рассмотрения нужно выбрать галактику, у которой на сравнительно небольшом расстоянии r было бы большое красное смещение z. Значит, галактика должна быть небольшой массы. Кроме того галактика должна быть хорошо изученного типа, так как для правильного расчёта доплеровской zD и гравитационной zG компонент красного смещения нужно знать распределение массы по объёму галактики. Этим требованиям удовлетворяет эллиптическая галактика с массой   М = 108 масс Солнца. Это не большая, но и не слишком маленькая эллиптическая галактика (массы эллиптических галактик распределены в пределах от 106 до 1012 масс Солнца). На рис.3 показаны графики доплеровской и гравитационной компонент красного смещения излучения из эмиссионного слоя для данной галактики.


Рис. 3

Предельное расстояние, до которого галактика ещё в принципе может быть зафиксирована наблюдателем  rmax = 100 тыс. световых лет. Это тоже очень большое расстояние, но всё же не 13 млрд. световых лет. При  r > rmax  блеск галактики настолько слабый, что его забивают флуктуации фона ночного неба и галактика в принципе зафиксирована быть не может. До расстояния   rкр = 95 тыс. световых  лет доплеровское смещение больше гравитационного. В точке rкр  доплеровское и гравитационное смещение становятся равными, а полное красное смещение получает значение 2,7. При увеличении расстояния r до rmax полное красное смещение z быстро растёт, но одновременно с этим быстро ослабевает блеск галактики. Где-то между rкр и rmax красное смещение галактики будет в точности равно z = 7.51, как и для галактики EGSY8p7. Возможно, такую галактику ещё смогут зафиксировать. Но, может быть, и не смогут – у неё будет слишком слабый блеск.

Если галактика имеет магнитное поле, то её красное смещение зависит не только от расстояния r до галактики, но и от ориентации её магнитной оси относительно наблюдателя. На рис.4  (http://www.red-shift.info/_private/t5_58.htm) проиллюстрирована эта зависимость.

Рис.4

Красное смещение максимально, если магнитная ось направлена на наблюдателя. В противном случае при прочих равных условиях красное смещение может быть значительно ниже максимального и даже почти нулевым.

В силу перечисленных выше причин малые галактики с очень большими красными смещениями наблюдаются крайне редко. В рассматриваемом  случае таких наблюдений всего шесть – галактика EGSY8p7 и ещё пять случаев при z =7.008, 7.045, 7.109, 7.213, 7.215.

Чем меньше масса галактики, тем на более близких расстояниях возникает описанная выше картина. Для галактики с массой М = 107 масс Солнца красное смещение с z >7 будет наблюдаться уже на расстояниях порядка 20-30 млн. световых лет.  Галактики на таких расстояниях классифицируются как ближайшие к нам (http://transcendens.info/Blizajsie_gruppy_galaktik.html).

Таким образом, небольшие близкие галактики с массой 107–108, расположенные на расстоянии 20-100 млн. световых лет, могут иметь в спектре линию Лайман-Альфа с красным смещением z >7. Диапазон для наблюдения этого явления крайне узкий. Поэтому к настоящему моменту зафиксировано всего шесть наблюдений: EGSY8p7 с красным смещением  z = 7.51 и ещё пять при z =7.008, 7.045, 7.109, 7.213, 7.215.

 

Все популярные статьи, относящиеся к теме «Природа красного смещения галактик и квазаров», находятся в последнем разделе сайта http://www.red-shift.info/, а научное обоснование идей, озвученных в популярных статьях, содержится в первых двух главах этого сайта.

 

 

.