Проект РадиоАстрон обрушил теорию квазаров

«уже после первого года работы радиотелескопа согласованная картина нашего понимания природы излучения ядер квазаров  рассыпалась»

 

Теперь нужно познакомиться с  проектом РадиоАстрон и с тем, закономерно ли, что  собранная им информация оказалась губительной для представлений о квазарах, созданных на основании общей теории относительности (ОТО).

Знакомство с проектом начнём, пользуясь сведениями из статьи «РадиоАстрону 5 лет: главные достижения» (https://geektimes.ru/company/asus/blog/279160/):

«18 июля 2011 года на орбиту отправился российский научный космический аппарат «Спектр-Р», который стал основой самого успешного отечественного астрофизического проекта РадиоАстрон. Проект РадиоАстрон — это научный эксперимент на основе метода радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ). Суть этого метода в том, что два или более радиотелескопа работают как элементы одной большой системы. Это позволяет вести наблюдения с очень высоким угловым разрешением, которое зависит от того как далеко разнесены телескопы. При наземных наблюдениях невозможно увеличить размер РСДБ сети свыше диаметра планеты Земля. Повысить разрешение на фиксированной длине волны можно только вынесением по крайней мере одного из телескопов в космос. Таким телескопом и стал российский «Спектр-Р». Ограничением данного метода является то, что так наблюдать можно только очень яркие источники излучения: квазары, пульсары, мазеры и др. Расстояние (вектор) между наземными и космическим радиотелескопами называется базой интерферометра. Ее проекция на плоскость, перпендикулярную лучу зрения (рис.1), определяет величины углового разрешение и считается, для удобства, в диаметрах Земли. Чем больше проекция — тем выше разрешение».

Рис. 1

Далее слово предоставляется заведующему лабораторией внегалактической радиоастрономии Юрию Ковалеву : «Теперь, что касается результатов, я бы выделил несколько ключевых достижений, о которых сейчас можно уверенно говорить. Начнем с того, что мне наиболее близко, и о чем мы начали говорить уже после первого года работы радиотелескопа. Вначале осторожно, потом увереннее, сейчас мы уже можем говорить о статистической значимости на основе обзора двухсот ядер активных галактик (квазаров). Мы можем сказать однозначно, что наше понимание об уровне яркости излучения их ядер изменилось на порядок. Они оказались ярче как минимум в десять раз по сравнению с тем, что считалось ранее. Мы обсуждаем этот вопрос уже несколько лет, и пока нет внятного физического объяснения, которое удовлетворило бы большинство ученых. Многие рады такому открытию, поздравляют команду проекта, но при этом «чешут репу», пытаясь объяснить этот результат, включая нас самих».

Теоретическое обоснование механизма излучения ядер квазаров были построены астрофизиками на основании следствия ОТО – теории Большого взрыва.

Далее идёт прямой текст Ю. Ковалева (с незначительными купюрами):

«Считалось, что излучение квазаров объясняется синхротронным излучением электронов. Согласно расчётам теоретиков процесс излучения будет происходить катастрофично, т.е. очень быстро и очень эффективно. Это значит, мы бы наблюдали вспышку в квазаре, в ходе которой за несколько часов или нескольких дней энергия исчерпалась, и яркость квазара резко упала. Считалось, что мы смогли бы зарегистрировать излучение всего нескольких квазаров в небе на длинных наземно-космических базах РадиоАстрона. Но на самом деле мы на сегодня не только успешно пронаблюдали, но и измерили значимые сигналы для более ста пятидесяти ядер активных галактик. Это совершенно потрясающий результат, в который мало кто верил, переворачивающий наши представления о квазарах, которые сохранялись на протяжении сорока лет».

Замечание. Синхротронное  излучение – это тормозное электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися с релятивистскими скоростями по траекториям, искривлённым магнитным полем.

Чтобы как-то объяснить наблюдаемое, в последнее время стала обсуждаться идея, что возможно, излучают  не электроны, а релятивистские протоны (протоны в две тысячи раз тяжелее электронов).

Вот теперь самое время объяснить, закономерно ли то, что  собранная проектом РадиоАстрон информация оказалась губительной для представлений о квазарах, созданных на основании общей теории относительности (ОТО)  и теории Большого взрыва.

В 1960 году были обнаружены очень слабые точечные источники   радиоизлучения с большими красными смещениями. Многие из них впоследствии оказались радиогалактиками. Но несколько источников при сколь угодно сильном разрешении так и оставались точечными, как звёзды. Поэтому они получили название квазары (квази-звездные радиоисточники). Как оказалось, название «радиоисточники» они получили напрасно. На данный момент известно уже около двухсот тысяч  квазаров и лишь у 1% из них выявлено заметное излучение энергии в виде радиоволн. Квазары со слабым излучением радиоволн получили отдельное название «квазаги» (квази-звёздные галактики). Но переход от квазаров к квазагам не был резким – доля излучения в радиоволнах по отношению к полному излучению уменьшалась постепенно.  Поэтому в настоящее время за этими обоими объектами оставили термин «квазары».

Вскоре по спектрам выяснили, что квазары не звёзды, а галактики. Когда по величине красного смещения определили расстояние до квазаров, получилось, что квазары находятся на краю видимой Вселенной.

Далее последовал скурпулёзный и длительный процесс сопоставления свойств  квазаров со свойствами галактик различных типов. Выяснилось, что резкого перехода от галактик к квазарам нет. Вместо этого есть цепочка плавного перехода от нормальных галактик к квазарам:

нормальные галактики –  эллиптические галактики – радиогалактики– «голубые» галактики – компактные галактики – галактики Сейферта – Лацертиды – квазары.

 Нормальные галактики  - это сравнительно близкие к нам галактики, в непрерывных спектрах которых нет смещённых линий излучения, а есть только тёмные линии поглощения с небольшим красным смещением. Лацертиды – галактики c очень активными ядрами высокой переменной мощности . Как и квазары, они выглядят на фотографиях точечными источниками. Расстояния до них, найденные по красному смещению, сравнимы с расстояниями до далеких квазаров. На фотографиях лацертиды иногда окружены слабо светящимися ореолами - звездными системами. Вскоре около нескольких сравнительно близких квазаров также были обнаружены слабые туманности, состоящие из звёзд.  Это дало основание полагать, что квазары – это просто галактики с необычно активными  ядрами.

В настоящее время большинством астрономов признано, что квазары – это галактики с очень активными ядрами. На самом деле ядра всех галактик активны в большей или меньшей степени. Причём прослеживается закономерность – чем больше космологическое расстояние до галактики (то есть, чем больше красное смещение), тем активнее ядро галактики и тем мощнее её светимость (т.е. полная мощность излучения) галактики. Поэтому, обсуждая свойства квазаров  (очень высокая светимость и очень большая амплитуда переменности), некоторые астрономы осторожно добавляют: «если расстояние до квазара определено правильно».

Очень своевременная осторожность, потому что при определении расстояний до квазаров по красному смещению  у них наблюдаются свойства, которых в принципе не может быть. К таким свойствам, которых в природе не может быть никогда, относятся красные смещения в спектре одного и того же квазара, отличающиеся в 10 раз. А это означает, что квазар удаляется от нас с разными скоростями, отличающимися в 10 раз. Но это ещё не все мистические свойства. Есть ещё такой феномен. На небесной сфере наблюдаются два удаляющиеся друг от друга квазара. Так вот, если расстояние до этих квазаров определить по их красному смещению, то окажется, что они удаляются друг от друга со скоростью, в несколько раз превышающей скорость света. Эти два мистических результата (удаление квазара от наблюдателя с разными скоростями и удаление квазаров друг от друга со сверхсветовыми скоростями) следуют из теории Большого Взрыва. Теория, которая даёт такие чудовищные противоречия с основными законами физики, правильной быть не может.  Но теорию Большого Взрыва пока неприкосновенна, так как она является следствием неприкосновенной общей теории относительности (ОТО).  Но, разумеется, вопрос пересмотра теории – это лишь вопрос времени. Накапливающиеся противоречия с основными законами физики неизбежно заставят пересмотреть любую теорию.

 Возникает предположение, а не является ли квазар явлением оптическим, связанным с завышением расстояния до него. Действительно, если квазар в 100 раз ближе к нам, чем определено по красному смещению, то его светимость будет завышена в 1002 = 10 000 раз.  При  правильном определении расстояния вместо гигантской светимости квазаров  мы бы получили их светимость такую же, как у нормальных галактик. Таким образом, сверхмощное излучения квазаров, и удаление двух квазаров друг от друга со сверхсветовыми скоростями легко объясняется просто завышением расстояния до наблюдаемых галактик.

Замечание. Пример завышения расстояния до квазара в 100 раз приведен здесь (http://subscribe.ru/group/klub-lyubitelej-kosmosa/12161539/).

В (http://subscribe.ru/group/klub-lyubitelej-kosmosa/12104574/)  показано, что красное смещение галактик объясняется аккрецией межгалактического газа на ядро галактики. При этом газ разгоняется от нулевых скоростей до субсветовых скоростей в окрестности ядра. Причём, чем дальше от нас галактика, тем из более глубоких её слоёв попадает в спектр излучение аккрецирующего газа из тонкого особо яркого слоя (рис.2).

Рис. 2

Скорости, найденные по красному смещению, приписываются самой галактике, хотя она может оставаться почти неподвижной. На самом деле удаляется от нас только падающий на ядро галактики газ. 

Излучение аккрецирующего газа  является рекомбинационным. Рекомбинационное излучение это излучение, возникающее в результате процесса рекомбинации, то есть захвата пролетающего электрона ионом и перехода электрона в связанное состояние. При этом в излучение переходит энергия, равная сумме кинетической энергии свободного электрона и его энергии связи. До температуры около 4·105  рекомбинационное излучение превышает синхротронное (тормозное) излучение, вызванное торможением электронов магнитным полем галактики. Расчёты показали, что температура аккрецирующего газа внутри галактики намного ниже значения 4·105.  Это значит, что излучение аккрецирующего газа рекомбинационное, а не тормозное, как это предполагается в расчётах светимости квазаров, сделанных на основании ОТО.

Остаётся объяснить, как в спектр квазара попадают линии излучения с разными красными смещениями. Одно из объяснений уже приводилось не раз: в некоторых случаях у далёких галактик возникает не один эмиссионный (излучающий) слой, а два (рис.3). Причём у каждого эмиссионного слоя своё красное смещение.

Рис. 3

Наличие двух эмиссионных слоёв и их расположение зависит от распределения массы по объёму галактики. Это подтверждается расчётами, в которых не учитывалось собственное магнитное поле галактики  и предполагалось, что межзвёздный газ равномерно распределён по объёму галактики. В качестве первого приближения эти расчёты дают удовлетворительный результат.

Однако в некоторых случаях собственное магнитное поле галактики и неоднородность распределения межзвёздного газа могут существенно повлиять на результаты наблюдений. В первую очередь это относится к наиболее распространённому типу галактик – к спиральным галактикам. У спиральных галактик магнитное поле имеет дипольную или квадрупольную структуру (рис.4)

Рис. 4

Для галактики, удаленной на большое расстояние, бОльшая часть спиральных рукавов будет скрыта флуктуациями фона ночного неба. Если такая галактика будет повернута к наблюдателю ребром, то аккреционный механизм красного смещения будет проявляться очень слабо (рис.5, №3). Причина в том, что газ, аккрецирующий в плоскости галактики, будет замагничиваться в спиральных рукавах, двигаться по спирали и давать очень малое красное смещение. А газ, аккрецирующий по направлению, перпендикулярному к плоскости галактики, вообще  красное смещение давать не будет. Если же далекая спиральная галактика будет повернута полюсом к наблюдателю, то красное смещение, вызванное аккрецией газа, будет максимальным (рис.5, №1).

 

Рис.5

 

Таким образом, красное  смещение галактики в общем случае зависит не только от расстояния до галактики и её массы, но и от ориентации оси галактики по отношению к наблюдателю.

В не меньшей мере величина красного смещения зависит от  неоднородности распределения межзвёздного газа. Наиболее яркие линии в спектре может дать столкновение аккрецирующего газа с плотными облаками межзвёздного газа, потому что в некоторых случаях плотность газа в облаке может в сотни тысяч раз превышать среднюю плотность межзвёздного газа. Соответственно мощность рекомбинационного излучения из такого облака будет в сотни тысяч раз превышать мощность излучения из соседних областей со средней плотностью газа.

Величина красного смещения определяется также формой магнитного поля. Из-за непрерывно идущего процесса рекомбинации межгалактический газ часть времени находится в ионизированном состоянии, а часть времени в нейтральном. Поэтому он аккрецирует на полюс не прямолинейно и не по спирали, а как бы соскальзывает по магнитным линиям. При этом создаётся своеобразный «эффект воронки». Это проиллюстрировано на рис.6, где в поперечном разрезе показано магнитное поле квадрупольной конфигурации. Синим цветом изображен конус, в котором находился бы аккрецирующий газ при прямолинейной аккреции. Траектории газа для реально осуществляющейся аккреции показаны чёрным цветом. Как видно, чем ближе к центру галактики, тем сильнее реальная плотность аккрецирующего газа будет превышать плотность, рассчитанную для прямолинейной аккреции. Происходит процесс сжатия аккрецирующего потока, названный автором «эффектом воронки».

Рис. 6

Встречаясь на пути аккреции с плотным газовым облаком, аккрецирующий газ может дать излучение, сравнимое по мощности с мощностью излучения всей галактики в оптическом диапазоне. Если  же на пути аккреции встретятся несколько плотных газовых облаков (рис.7), то они дадут в спектре несколько мощных серий линий излучения, причём   с разными красными смещениями.

Рис. 7

Описанный механизм объясняет не только кажущееся удаление квазара с разными скоростями, но и наблюдаемые иногда аномально малые размеры квазара (~ 1010 м). Это происходит в том случае, когда размеры квазара вычисляются по переменности излучения. Малый период переменности свидетельствует о малых размерах излучающей области. А малые размеры излучающей области объясняются сжатием аккрецирующего газа магнитным полем галактики в узкий жгут («эффект воронки»).

Для возникновения описанных явлений, не обязательно, чтобы галактика была спиральной. Достаточно, чтобы она обладала собственным магнитным полем, и чтобы угол  между магнитной осью и лучом зрения был невелик (рис.5, №2). С ослаблением магнитного поля или увеличением угла наклона магнитной оси, описанные выше эффекты становятся менее отчетливыми.

Подведём итог. Год работы проекта Радиоастрон показал ,что

·       ядра квазаров оказались ярче как минимум в десять раз по сравнению с тем, что считалось ранее;

·       излучение квазаров нельзя объяснить синхротронным излучением электронов, как это делается сейчас; при таком объяснении получается, что квазар ярко излучал бы несколько часов или нескольких дней, после чего  его яркость резко бы упала; наблюдения же показывают, что квазары излучают стабильно.

Чтобы объяснить наблюдения проекта Радиоастрон, нужно учесть следующее:

1.     Красное смещение – явление оптическое; оно объясняется аккрецией межгалактического газа на ядро галактики, а не расширением Вселенной;

2.     Расстояние до квазара некорректно определять по его красному смещению;

3.     Излучение квазаров рекомбинационное, а не синхротронное.

 

Но, чтобы следовать трём приведенным выше пунктам, придётся признать несостоятельность ОТО, а заодно теории Большого взрыва. Поскольку эти теории, как уже говорилось, сегодня неприкосновенны, то будут и впредь  продолжаться попытки получить объяснение уже найденных  и будущих наблюдений с позиций ОТО.  В подтверждение сказанного: в дальнейших исследованиях планируется открыть так называемую «тень черной дыры» (https://geektimes.ru/company/asus/blog/279332/). Такая попытка уже делалась ещё до запуска «Спектра-Р» в космос, но оказалась, естественно, неудачной.