Аннотация
Принято считать, что кривая вращения звёзд Млечного Пути под влиянием темной материи имеет вид, отличающийся от кеплеровского. Однако, гипотеза о темной материи не устраняет противоречий наблюдаемой кривой вращения. С наблюдаемой кривой вращения рукава галактики не могут иметь такой формы.
Если рассмотреть имеющиеся данные о вращении галактики Млечный Путь, то можно обнаружить странное обстоятельство. Если бы галактика двигалась с такой кривой вращения, то всего два оборота назад – около 600 млн. лет – её рукава были «закручены» в обратную сторону. И, напротив, в течение следующих нескольких оборотов она должна полностью лишиться рукавов, которые туго свернутся, равномерно заполняя весь её диск.
Учитывая, что возраст галактики предполагается порядка десятка миллиардов лет, её прошлое выглядит ещё более загадочно – возникновение рукавов невозможно объяснить по чисто кинематическим противоречиям.
Казалось бы, темная материя позволила привести в соответствие теорию и наблюдения, отклонение обнаруженных астрономами кривых вращения звёзд и галактик от кеплеровских. Однако, гипотеза о темной материи не устраняет противоречий самих наблюдаемых кривых вращения.
Независимо от причин формирования таких кривых с темной материей или без неё, как видим, они парадоксальны сами по себе.
Возможно, причина парадокса в том, что измеренная кривая вращения нестабильна и отражает лишь нынешнее, кратковременное состояние галактики, что она явно не указывают на её историю и будущее. Измеренные скорости звёзд соответствуют текущему моменту времени и, видимо, мало что говорят о своих прошлых или будущих значениях. Возможно, говорить о динамике их движения можно лишь с определённой степенью достоверности. А иначе, законы механики дают этот закономерный логический результат.
Форма кривой вращения галактики Млечный Путь существенно отличается от кривой вращения твердого тела. Поэтому можно утверждать, что галактика по определению не может двигаться как твердое тело, сохраняя однажды сформированную закрученность рукавов.
Действительно, если скорости ближней к центру галактики и удалённой от него равны, то их угловые скорости явно разные. Это означает, что за полный оборот вокруг центра удалённой звезды, ближняя к нему должна совершить большее число оборотов! Галактика должна либо закручивать рукава, либо распрямлять их.
Для того чтобы галактика сохраняла свою форму на достаточно длительном промежутке времени или хотя бы в пределах одного-двух оборотов, кривая вращения должна иметь более крутой подъем. То есть, звёзды на окраине галактики должны двигаться с ещё большей скоростью, чем это допускает темная материя. Либо ближние к её центру – с существенно меньшей скоростью.
Для вычисления такой кривой вращения была составлена математическая модель рукавов галактики и сформулировано условие её движения без существенной деформации рукавов. Модель позволила рассмотреть динамику изменения формы рукавов, анимацию.
На анимации мы «провернули» галактику назад на 600 млн. лет в соответствие с наблюдаемой в наше время кривой вращения. Очевидно, что основной причиной закручивания рукавов является именно эта кривая вращения. Как и ожидалось, рукава сменили направление закрутки и плотно «намотались», образовав практически сплошную, дисковую форму галактики.
При этом можно догадаться, что должна существовать и какая-то другая кривая вращения, при которой рукава были бы стабильны на достаточно протяженном интервале времени. Такое движение без заметной деформации должно напоминать вращение твердого тела имеющего форму спирального диска.
Ясно, что условие «твердого вращения» требует одинаковой угловой скорости вращения или близкой к ней всех элементов галактики. Чтобы вычислить такую кривую «твердого вращения», за основу принята тангенциальная скорость звёзд на краю галактики (рукавов).
Согласно наблюдениям, эта скорость равна приблизительно 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 спроектированную кривую вращения на график наблюдаемой кривой вращения и соединим её касательной с наблюдаемой кривой вращения, просто чтобы новый график имел более - менее законченный вид.
Рис. Кривая вращения галактики Млечный Путь как твердого тела, то есть, без закручивания рукавов выделена красным цветом
Если мы подставим новую кривую вращения в созданную анимационную модель то, естественно, увидим, что теперь галактика движется без закручивания или раскручивания рукавов на длительных этапах своего вращения порядка 3000 млн. лет и более.
Однако, остаются очевидные вопросы. Реальные наблюдаемые рукава галактики имеют явно закрученный вид почти на полный оборот. Как и когда это произошло? Почему больше не происходит? Как выглядели рукава до начала закручивания?
На последний вопрос напрашивается достаточно очевидный ответ. Скорее всего, что наиболее логично, до начала закручивания рукава были прямыми. Действительно, если бы они были закручены в обратном направлении, то вопрос так же остался бы без ответа: каким же они всё-таки были до закручивания, из какого состояния это закручивание началось?
Только прямая исходная форма рукавов позволят сделать вполне разумное предположение. Например, рукава образовались из джетов, выброшенных вращающейся звездой при её коллапсе, при переходе в состояние нейтронной звезды и затем черной дыры. Струи материи отставали от вращения самой звезды, закручиваясь в спирали. Возможно, что в дальнейшем они, вращаясь, «подметали» окружающее пространство, собирая в себя газ и звёзды.
Понятно, что данная гипотеза является умозрительной, бездоказательной, лишь попыткой хоть как-то объяснить исходное, первичное состояния рукавов. Однако, если под нею имеются хоть какие-то основания, то какой в этом случае была длительная история её кривой вращения?
Как можно было увидеть на анимации, наблюдаемая кривая вращения темной материи при ретроспективном анализе не приводит к выпрямлению рукавов. Наоборот, она закручивает их от центра таким хитрым образом, что внутренняя часть галактики, минуя прямолинейную форму, оказывается через некоторое время закрученной в противоположном направлении к внешней.
Но мы можем попытаться ответить на этот вопрос, спроектировав принудительно 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 закручены в разной степени, поэтому при ретроспективе вряд ли они выпрямятся все вместе.
Для проектирования требуемой кривой вращения выберем один из рукавов, который наиболее вероятно был в прошлом прямым. Для этого каждую точку этого рукава обратим вспять с такой скоростью, чтобы через несколько миллиардов лет все точки, пройдя разный путь, выстроились в прямую линию.
Время на выпрямление мы можем задать любое, в течение которого предположительно существуют рукава. Принцип здесь един, но мы возьмём не очень большое время, поскольку для большого времени потребуется много оборотов галактики и, соответственно, длительность анимации. Например, для возраста в 12 млрд. лет потребуется около 12/0,3 = 40 оборотов внешней структуры. Поэтому для простоты возьмём 2 3 млрд. лет. Будем считать, что рукава галактики Млечный Путь возникли именно тогда.
Итак, за «рабочий рукав», который задаст форму кривой вращения, выберем Рукав Лебедя. Он достаточно наиболее длинный и достаточно яркий, то есть, содержит большее число звёзд и скоплений.
До «выпрямления» внешняя часть рукава должна сделать примерно на один оборот меньше, чем его внутренняя часть. Все остальные участки рукава – пропорционально их удалённости от центра.
Аналитические выкладки приводят к искомому уравнению вида:
Vi = VoRi/Ro + Ri(Фo-Фi)/to,
где:
Vi – искомая скорость i-ой точки галактики
Ri – радиус-вектор i-ой точки галактики
Фi – текущий угол i-ой точки от внутренней точки рукава
Фo – угол дальнего края галактики от внутреннего края рукава
to – время в прошлом, когда рукав был спрямленным
Vo – скорость дальнего края спрямляемого рукава галактики
Ro – радиус-вектор дальнего края галактики
Произведём вычисления «выпрямляющей» кривой вращения по найденным уравнениям и «подключаем» её к математической модели галактики, анимации. Теперь ретроспективное вращение галактики на 3000 млн. лет назад, как видно на анимации в начале данной статьи, спрямляет рукав Лебедя, как и спроектировано. если бы вращалась с этой кривой вращения:
Анимация: Около 3000 млн. лет назад Рукав Лебедя галактики Млечный Путь мог быть прямым
И здесь мы обнаруживаем, вообще-то говоря, неожиданную картину. На анимации отчетливо видно, что помимо Рукава Лебедя также почти выпрямился и Рукав Центавра и, приблизились к прямолинейным два других рукава. Более того, теперь весь вид галактики напоминает крест из двух пар разлетающихся в разные стороны джетов! Это похоже на то, что наше предположение вполне даже обоснованно:
-- в центре галактики Млечный Путь находились две чёрные дыры, которые почти одновременно «выстрелили» свои джеты, ставшие основой для будущих рукавов галактики.
Действительно, по сравнению с «приближениями», с которыми в астрономической литературе строятся графики и диаграммы, анимация имеет почти идеальную точность. Конечно, мы помним, что картинка построена на основе математически аппроксимированных рукавах галактики, а время спрямления рукавов мы выбрали произвольно. Но и сам вид галактики нам известен лишь как математическая модель, построенная на основе астрономических наблюдений. Если эти наблюдения мы считаем достаточно точными, то и модели являются тоже достаточно точными.
06.04.2015
Адрес полного текста статьи в интернете URL:
http://samlib.ru/p/putenihin_p_w/t_16.shtml
Иллюстрации и уравнения к статье (зеркала)
http://samlib.ru/p/putenihin_p_w/
https://cloud.mail.ru/public/8WpP/qeaUMAiGz
https://cloud.mail.ru/public/Hq7e/jZ9YZGJW9
https://yadi.sk/d/EZg36rrKmJDwk
http://fileload.info/users/putenikhin/