Статья из сборника \"Некоторые вопросы физики космоса\" icon

Статья из сборника "Некоторые вопросы физики космоса"



НазваниеСтатья из сборника "Некоторые вопросы физики космоса"
страница1/2
Дата конвертации03.09.2012
Размер324.79 Kb.
ТипСтатья
  1   2

[вернуться к содержанию сайта]


Статья из сборника "Некоторые вопросы физики космоса", сборник 2, М.: ВАГО АН СССР, 1974, с. 9–32.


О. А. Мельников, В. С. Попов

НЕДОПЛЕРОВСКИЕ ОБЪЯСНЕНИЯ КРАСНОГО СМЕЩЕНИЯ В СПЕКТРАХ ДАЛЁКИХ ГАЛАКТИК

УДК 523.11

В статье приводятся выводы из рассмотрения наблюдательного материала по спектрам галактик и анализируются некоторые недоплеровские объяснения красного смещения в спектрах удалённых галактик.


В настоящее время понятие Метагалактики ещё не является вполне определённым, так как мы ещё не можем наблюдать её границы и выделить объекты, не принадлежащие ей. Поэтому сейчас можно предполагать, что она является объединением скоплений галактик, межгалактической среды и т. п., то есть всего того, что мы наблюдаем сейчас в «астрономической» Вселенной. Предполагается также, что вне нашей Метагалактики могут существовать и другие Метагалактики.

Впервые возможность построения физической модели Метагалактики (что важно для космологии) появилась только после создания А. Эйнштейном в 1916 г. общей теории относительности. Он же, ещё до открытия красного смещения линий в спектрах галактик, создал первую космологическую модель. Затем было предложено много других моделей. Все они уже основываются на теории, разработанной А. Эйнштейном и её дальнейшем развитии. Мы здесь не будем подробно на них останавливаться, как и на их философской важности, а отметим лишь значение общей теории относительности для оценки «размеров» Метагалактики.

В ней важность релятивистских поправок определяется величиной гравитационного радиуса [1]

Rg ≡ Rrel= GM/c 2

по сравнению с геометрическим радиусом R.

Гравитационный радиус характеризует массу тела, а в общем случае, вероятно, и системы тел, находящуюся в «покое». При этом оказывается, что гравитационное, релятивистское красное смещение спектральных линий Δλrel связано с ним простым соотношением



Например, для Солнца при массе 1,99·1033 г имеем Rrel= 6,67·108×1,99·1033/9·1020=1,5·105 см = 1,5 км, а по (Δλrel0)=2,12·10–6 и радиусу R =6,96·1010 см, Rrel=1,5·105 см =1,5 км, т. е., естественно, то же значение.

Мы видим при этом, что Rrel << R т. е. релятивистские поправки в общем должны быть малы.


Для Метагалактики же [2] МM =3·1056 г (после учёта межгалактического поглощения света средой с плотностью порядка 10-28 г/см3), а RM = c(см/сек)/H(1/сек) = 3·1010/3,2·10–18 см = 9,4·1027 см = 9,9·109 св. лет = 3·109 пс = 3000 мпс. Поэтому RrelM ~ 7·10–8 ×3·1056/9·1020 = 2·1010 св. лет = 7·109 пс= 7000 мпс.

Мы видим, что при размерах и массе Метагалактики, полученных в настоящее время, т. е. RM =3000 мпс и MM =3·1056 г получается, что RrelM ~ RM. Следовательно, релятивистские поправки для Метагалактики должны быть велики. А так как RrelM = RM·Δλrel0, то Δλrel0 ~ 1, т. е. λ/λ0 ~ 2. Этот результат является, по-видимому, тривиальным, ибо RM вычисляется, а не непосредственно определяется по независимым наблюдениям. Кроме того, необходимо иметь в виду, что он относится к точке, где находятся излучающие атомы, т. е. к границе Метагалактики, если только её можно считать «сплошным» телом.

Далее, параметр q, использующийся в космологии, позволяет определить кривизну пространства, её знак. Он связан с плотностью ρ и постоянной Хаббла Н следующим соотношением

q = 4πGρ/3H2

При Н=100 км/сек/мпс, т. е. RM =9,4·1027 см, V=RM3/3 = 3,5·1084 см3 и MM =3·1056 г, ρ=9·10–29 г/см3, получаем q ~ 2,5, т. е. пространство положительной кривизны и Метагалактика является при этом гравитационно замкнутой системой.

Принимая же, например, пространство с нулевой кривизной (q = 0,5), т. е. эвклидово, можно определить значение Н при современном значении плотности ρ. Оно получается равным 220 км/сек/мпс.

В разное время для Н получились различные значения от 50 до 550 км/сек/мпс (коэффициент видимого расширения E = 1,6·10–18÷1,8 10–17 1/сек). При этом большее значение относится к более раннему времени. Вероятно, более приемлемым значением в настоящее время является [2]: Н =[100 ± 15 (ср. ош.)] км/сек/мпс = 3,2·10–18 см/сек/см или же E=3,2·10–18 cек–1.

Отметим, что некоторые наблюдатели предпочитают принимать как более правдоподобное «локальное» значение Н= 50÷70 км/сек/мпс. Г.К. Мак-Витти считает, что Н ограничено в пределах 75÷150 км/сек/мпс [3].

Одной из важнейших особенностей Метагалактики является явление красного смещения в спектрах галактик, установленное Е. Хабблом в 1929 г. из наблюдений сдвигов линий в спектрах галактик. Отметим здесь, что первые измерения сдвигов линий в спектре галактики М31 (в Андромеде) были сделаны Слайфером ещё в 1912 г. Первые же спектры галактик получил в 1882 г. Хёггинс. С тех пор наблюдательный материал по галактикам всё время пополнялся.

Наиболее обширный «HMS-каталог» [4] 1956 года включает около 800 галактик с измеренными красными смещениями. На эту коллективную работу ряда обсерваторий (Маунт–Вилсон и Паломар, Лик, Макдональд, Радклиф, Маунт-Стромло и др.) было затрачено более 40 лет. К 1967 году общее число объектов с измеренными красными смещениями достигло 1200. Статистика показывает при этом, что увеличение количества получаемого материала снижается по экспоненте. Согласно Г. Вакулеру [5], на графике «логарифмы количества галактик (N) с известным красным смещением – годы (tкасательные к кривой имеют следующие угловые коэффициенты:

ΔlgN/Δt

Годы

Время удвоения материала (годы)

0,046

1915–1935

6,0

0,036

1935–1955

без учёта 5 лет воен. вр.

8,3

0,017

1955

18,0


Замедление набора материала обусловлено [5, 6] недостаточно высокой чувствительностью фотопластинок, малым числом больших рефлекторов со светосильными спектрографами, относительно большой яркостью спектра излучения ночного неба («забивающего» спектры слабых галактик) в местах расположения многих обсерваторий и т. д. Для борьбы с фоном неба Р. Минковский [7], например, рекомендовал употреблять двухканальные системы с вычитанием спектра неба из суммарного спектра галактик и неба. А для повышения общей чувствительности аппаратуры были рекомендованы (при z>0,2) фотоэлектрические методы регистрации красного смещения [5, 8], в частности, больших z, даже по максимуму в непрерывном спектре.

Из всего наблюдательного материала можно было сделать некоторые выводы [9] и др. Дополняя эти результаты, материал по наблюдениям красного смещения в спектрах галактик сейчас можно резюмировать следующим образом:

1) Для отдельных объектов z= Δλ/λ0= const., независимо от λλ. В настоящее время эта зависимость подтверждается в широком диапазоне спектра, что специально было изучено, в частности, Р. Минковским [10], О. Вилсоном [11] и многими другими. Изучен диапазон наблюдаемого с Земли спектра примерно от 300 нм до 21 см. Во всём этом диапазоне красные сдвиги линий поглощения оказываются пропорциональными длинам волн. Эти исследования расширились особенно в 60-е годы после открытия объектов, названных квазарами [12]. В частности, в спектре одного из них, а именно PKS 0237-23, после, по-видимому, приемлемой, идентификации линий, приписанных SII и SIII, относительный сдвиг линий оказался [13] очень большим z= Δλ/λ0= 2,4516. Ранее идентификация была, вероятно, ошибочной и относительные сдвиги разных линий получались разными, например, по Г. Бэрбиджу с z= 1,3÷2,2. Но этот вопрос настолько важен, что принадлежность линий первому и второму спектру серы (редкого химического элемента в астрономических спектрах), представленной в основном, в спектрах планетарных туманностей и других пекулярных объектов, также может быть поставлена под сомнение.

Подобные идентификации исключительно интересны, ибо расширяют диапазон исследований по спектру за счёт использования при больших z далёких ультрафиолетовых линий, наблюдать которые у объектов с малыми z при наземном расположении телескопов невозможно. Границей в данном случае является длина волны 290 нм и обусловлена она прежде всего полосами поглощения Хортлея–Хёггинса, принадлежащих озону земной атмосферы.

Естественно, что пропорциональность красного смещения длине волны, или же иначе, постоянство z= Δλ/λ0, заставило предположить, что явление обусловлено движениями галактик, т. е. явлением X. Допплера для электромагнитного излучения.

2) Δλ > 0, за исключением ряда ближайших галактик, у которых наблюдаются фиолетовые смещения за счёт галактического вращения и их пекулярных скоростей, а также некоторых галактик скоплений [14].

3) z ~ r, где r – расстояние данной галактики от наблюдателя.

Однако, эта пропорциональность z от r ещё далеко не доказана из-за отсутствия надёжных определений расстояния и наличия некоторой неизотропности в значениях z по всему небу, исключая, конечно, «зону избегания», в которой галактики почти не наблюдаются. Вопрос оказался не такой простой. В общей теории относительности красное смещение линий имеет определённый смысл, но соответствующая ему скорость расширения зависит от того, какое расстояние имеется в виду. В этой теории расстояние зависит не только от взаимного расположения двух тел, например, Галактики и другого объекта Метагалактики (как в классической небесной механике для определения расстояний в эвклидовом пространстве), но и от способа определения данного расстояния: по яркости объекта (фотометрическое расстояние), по видимым угловым размерам и т. д. Единственного правильного расстояния в этой теории и в этом смысле нет, а следовательно, и скорость движения получается не однозначной. Например, согласно Г. К. Мак-Витти [15], для некоторой модели Вселенной (например, с параметром замедления , где R == R(t)функция времени, q – определяет величину и знак кривизны пространства и может быть с некоторой неопределённостью получено, согласно А. Сандеджу [16], из наблюдений с заданной метрикой пространства ds2 и при z = 1 для скорости получаются значения:

1) vz = с (классический случай),

2) vr = 2,52 с (по фотометрическому расстоянию r),

3) vα =0,21 с (по угловому размеру α).

Для однородной и изотропной Вселенной, в частности, этот вопрос подробно изучен А. В. Засовым [17]. При этом галактики считаются «фундаментальными объектами», что определяет их покой в сопутствующей системе координат r, φ, θ. В этом случае метрика ds2 известна. Знак кривизны пространства соответствует некоторой величине k, входящей в выражение для метрики, k = +1, 0, –1 при положительной, нулевой и отрицательной кривизне. Элемент пространственного расстояния dl будет

dl=R(t)dr(1+ kr2/4)–1,

а само расстояние l0 в момент наблюдения t0 (когда R=R0) определяется из



при k=+1, 0, –1, т. е. параметре замедления q> 1/2, q= 1/2

и 0≤q≤1/2,

соответственно. Отсюда видно, что неограниченные расстояния l0 могут «существовать» только при нулевой и отрицательной кривизнах пространства. При положительной же (l0)max= 2R0[arctg(r/2)]max = πR0, т. е. расстояние ограничено. Из решения уравнения Эйнштейна



Понятие «пространственного расстояния» (иначе «собственное расстояние» – по Р. К. Толмену [^ 18], В. Риндлеру [19] или «космическое расстояние» – по X. П. Робертсону [20] и т. д.) имеет совершенно определённый физический смысл [19]: «Оно представляет собой сумму бесконечно малых расстояний, измеренных «жёстким метром» в момент t0 цепочкой фундаментальных наблюдателей, расположенных вдоль нулевой геодезической линии, соединяющей объекты». Для фундаментального объекта, т. е. при r=const, l0/l(t) = R0/R(t) = 1+z, и отсюда следует, что фактическое расстояние (испускание квантов в момент t) больше в (1+z) раз, чем то, которое определяется моментом (временем t0) зарегистрированных наблюдателем квантов света.

Если ввести «постоянную» Э. Хаббла через ρ и q, то



(где ρ – плотность материи, a G – гравитационная постоянная), которая фактически может изменяться со временем, но постоянна в заданный момент для «фундаментальных» наблюдателей, т. е.



то скорость изменения пространственного расстояния l0 будет определяться его дифференцированием по времени [17]:



Отсюда видно, что соответствующая скорость относительно наблюдателя пропорциональна расстоянию и может быть без ограничения большой. Действительно, в общей теории относительности эта относительная скорость не ограничивается, а ограничение накладывается лишь на скорость движения объектов.

Согласно вычислениям А. В. Засова [17], при ^ Н = 100 км/сек/мпс расстояния l, вычисленные по z, и фотометрические D, вычисленные по яркости с некоторой «K» – поправкой, (в мегапарсеках) и разность Δt=t – t0 (в млрд. лет) времён испускания и регистрации квантов выражаются следующей таблицей для двух значений z:

l

D

Δt

z\\q

1

1/2

0

–1

1

1/2

0

–1

1

1/2

0

–1

0,5

1010

1120

1220

1500

1500

1680

1880

2250

2,54

2,96

3,34

3,95

2,5

2380

2790

3760

7500

7500

9770

16880

26250

4,71

5,50

6,96

12,22


Из таблицы мы видим, что разница в l, D и Δt, действительно, велика (особенно для больших z). Большие трудности возникают не только с определением расстояния, но и определением времени. Так, наблюдая разноудалённые галактики, мы неизбежно наблюдаем их в разные моменты времени и в разные моменты эволюции. Если наблюдаемая часть Вселенной образовалась, например, путём взрыва места «сингулярности», т. е. из небольшого объёма материи большой плотности, то галактики (после их образования), имеющие большие скорости, успели «уйти» от нас дальше, чем медленные. Но и свету, при его распространении до наблюдателя, приходится пробегать большее расстояние, т. е. затрачивать на это большее время. Таким образом, окончательное заключение в сильной степени будет зависеть от начально принятых условий и последующего развития Метагалактики.

4) z=f(L, В), т. е. неизотропно [21, 22, 23]; L, В – галактические координаты.

Модель однородной и изотропной Метагалактики является очень условной. Вселенная в действительности не является однородной и изотропной. Даже в наблюдаемой части её мы видим много сгущений и скоплений галактик, как, например, в Деве, Волосах Вероники и т. д. Это же подтверждают и подсчёты числа галактик до 18m и слабее. Даже в одном месте неба средние плотности колеблются в 10 и более раз, а при исключении некоторого «сглаживания» (из-за проекции) различие доходит до 100 раз.

5) cz=cΔλ/λ0 = v' (v' – «кажущаяся» наблюдателю лучевая скорость галактики) при доплеровской интерпретации и малых скоростях. При больших же скоростях следует брать релятивистскую формулу для продольного эффекта Доплера (в отсутствии поперечного движения) [24]:



Например, согласно [25] для квазара 3С 295 при λ0=372,8 нм фактически измеренная длина волны равна λ0=544,8 нм (z =0,46). Поэтому по классической формуле эффекта Доплера, v'=cΔλ/λ0 = cz, скорость v'= 138 500 км/сек, а по релятивистской



т.е значительно меньше.

При этом заметим, что поскольку z=Δλ/λ0 = (λ– λ0)/λ0 = λ/λ01 и z+1= λ/λ0, то значение z=1 соответствует λ/λ0 =2, т. е. смещению спектра в красный конец на одну октаву.

6) Закон Э. Хаббла: v = r (мпс) × Н (км/сек/мпс) = r (кмЕ (1/сек). Здесь v (км/сек)скорость удаления галактики, r – расстояние её от нашей Галактики, Н – постоянная Хаббла, а Е – коэффициент видимого «расширения» Метагалактики (при доплеровской интерпретации красного смещения). «Постоянная» Н на практике оказывается далеко не постоянным числом. Постоянной она является, по-видимому, в случае локального её значения, т. е. лишь на некоторых интервалах расстояний от Галактики.

С законом Хаббла связаны две константы, имеющие большое значение в космологических теориях. Это обратная постоянной Хаббла1 величина Т= 1/H, которая имеет размерность времени и равна 3,1·1017 сек  10 млрд. лет (что лишь примерно в два раза превышает «возраст» Земли) и величина R= c/H имеющая размерность длины и равная ~ 10 млрд. световых лет. Если полагать, что скорость каждой галактики постоянна, то (по закону Хаббла) Т= r/v можно условно принять за время, протекшее с момента начала «расширения» Метагалактики (так называемый возраст Метагалактики), тогда R=cT означает наибольшее расстояние, на которое удалились галактики, движущиеся с максимальной в общей теории относительности скоростью – скоростью света с (это, как уже было указано выше, так называемый геометрический радиус Метагалактики); в ходе расширения R увеличивается примерно на 0,000001% за 100 лет. Однако такая трактовка констант Т и R носит лишь условный характер.

Явление красного смещения в спектрах удалённых галактик до сих пор в астрономии пока ещё остаётся не объяснённым. Можно его, конечно, пытаться объяснить внеметагалактическим влиянием и прекратить всякие попытки его объяснения, но это не будет верно, пока не рассмотрены все другие возможности, которые могут вытекать из внутреннего строения нашей Метагалактики. Поэтому сразу же после открытия в 1929 году явления красного смещения и было предложено несколько различных причин для его объяснения. Например, одной из первых причин было указано на явление Доплера для электромагнитного излучения, что дало основание гипотезе «расширяющейся» Вселенной, предложенной в 1922 году А. А. Фридманом [26] ещё до открытия красного смещения в спектрах галактик. При этом, известно, что на первом этапе исследователей очень смущало, не приводит ли подобная гипотеза нас обратно к геоцентризму. Однако, если принять гипотезу «расширения» (конечно, не Вселенной в целом, а лишь наблюдаемой её части, т. е. астрономической Вселенной), то даже при нецентральном расположении наблюдателя, последний заметит две указанные выше закономерности – пропорциональность смещения длине волны и расстоянию.

В настоящее время большинство специалистов-астрономов и многие физики придерживаются доплеровской интерпретации красного смещения [27]. Но в этом объяснении ещё много неясного. Прежде всего, при таком толковании обычно молчаливо подразумевается, что сфера применимости принципа Доплера неограниченна. Но это лишь смелое предположение и оно требует проверки. Кроме того, имеются трудности со шкалой времени.

Верхней оценкой возраста Метагалактики, которую можно получить при ^ H = 100 км/сек/Мпс на основе космологических моделей, описываемых уравнениями Эйнштейна (решение А. А. Фридмана и др.) без космологического члена или без использования гипотезы о непрерывном рождении вещества, является 10·109 лет, тогда как возраст наиболее «старых» звёзд (не говоря уже о возрасте всей нашей Галактики н скоплений галактик), по вычислениям Хэзелгроува и Хойла, составляет 20·109 лет. По другим данным, возраст, например, звёздного скопления NGC 188 (также в нашей Галактике) оценивается в 10 млрд. лет [28].

Далее, данные статистического анализа соотношения красного смещения и радиовеличин 110 радиогалактик [29] показывают, что полученные угловые коэффициенты 2,78 и 2,88 близки к величине 2,5, предсказываемой статистической моделью Метагалактики и далеки от величины 5, предсказываемой эволюционной моделью. Этот результат также подкрепляется диаграммой радиовеличина–красное смещение, построенной для радиогалактик Гомиде Ф. М. [30], а также данными, полученными Ф. Хойлем и Г. Р. Бербиджем [32]: 69 радиогалактик каталога 3CR, для которых измерены красные смещения, не показывают зависимости потока на частоте 178 мгц от красного смещения.

Несколько отличный результат представляет диаграмма, построенная для квазаров, что, по мнению Гомиде Ф. М., указывает на некосмологический характер, по крайней мере, части их красного смещения. На это указывает и следующий поразительный факт, открытый совсем недавно: наблюдения на радиоинтерферометре с длинной базой дают, что лучевые скорости радиоисточников, выбрасываемых из квазара 3С 279, если он находится на расстоянии, соответствующем его красному смещению, должны в 10 раз превышать скорость света [31]. По-видимому, в квазарах мы встречаемся (благодаря большой массе и относительно небольшому радиусу) с гравитационным красным смещением [33] хотя бы для доли наблюдаемого явления. Оно определяется работой силы тяжести (φ1–φ2) над телом с М=1 при переходе его из места 1 в место 2 (эту работу совершает свет)

Δν/ν = -Δλ/λ = (φ1–φ2)/c 2,

здесь φ1 и φ2 – гравитационные потенциалы в местах испускания излучения (квазары и др.) и в точках его приёма (Земля). При этом величиной φ2 можно пренебречь, и мы имеем:

Δν/ν = - GMкв/с2Rкв или же Δλ/λ = GMкв/с2Rкв.

При соответствующих Mкв~ 108 M и радиусах мы можем получить необходимые красные смещения. Однако, вариации z у одного и того же квазара для различных систем линий говорят о том, что здесь накладываются и другие явления. В частности, это может быть связано с депрессиями термов атомов при большом давлении в квазарах. Согласно исследованиям О. А. Мельникова [34], даже при перепаде давления всего в 1 атмосферу термы FeI депрессируют так, что красные смещения достигают 0,01 Å и увеличиваются с увеличением длины волны света. Таким образом, комбинация гравитационного смещения вместе с депрессией термов давлением частично может объяснить красное смещение в спектрах удалённых объектов (но не прямую пропорциональность расстоянию), во всяком случае квазаров (у некоторых из них z=Δλ/λ достигает ≈3), без привлечения гипотезы «расширяющейся» Вселенной для объяснения всего наблюдаемого явления.

У квазаров имеется много особенностей, указывающих на недоплеровский характер их красного смещения [^ 35]: 1) оптическая и радио-переменность; 2) группировка значений красных смещений линий поглощения около z=1,95, кроме того, Г. Бербидж [36] отмечает ещё более поразительный результат: красные смещения квазаров группируются также около z = 0,061 и значений, кратных этой величине2; 3) существование у одного и того же квазара нескольких систем линий с разными красными смещениями (PKS 0237–23, Тon 1530, PHL 938 и др.). Причём, обнаружены различные z по линиям поглощения и излучения. Небольшое несовпадение значений красных смещений, измеренных радиоастрономически и оптически было обнаружено и для галактики NGC 5668 [38].

Немного ранее X. К. Арп [39] привёл наблюдательное доказательство того, что квазизвёздные объекты ассоциируются с ближайшими галактиками на расстояниях от 10 до 100 мпс3 и он придерживается того мнения, что красное смещение обязано некоторому неизвестному механизму, не космологическому.

Новый пример сильного различия лучевых скоростей компонентов двойной галактики – галактики NGC 7603 [40], Центральная галактика имеет лучевую скорость 8800 км/сек, а спутник – 16900 км/сек. Прямые фотографии показывают, что обе галактики пекулярные и взаимодействующие. Вероятность того, что это оптическая пара, ничтожно мала. У X. Арпа приводится много таких примеров и указывается, что, как правило, красное смещение спутника больше, чем центрального тела. Различие достигает 10–20 тыс. км/сек.

Другой случай, который приводит в своей работе Д. Видманн [41], включает квазизвёздный объект «Маркарян 205» и галактику NGC 4319. Он статистически показал, что эти объекты, вероятно, физически также связаны, хотя они и имеют очень разные красные смещения. X. К. Арп, используя узкопо-лосный фильтр Hα линии водорода, сфотографировал эти объекты и нашёл светящиеся волокна, соединяющие их [42]. Он также анализировал распределение квазизвёздных объектов на небе [43] и показал, что они статистически более тесно связаны с яркими галактиками, чем между собой. Недавно Е. М. Бербидж, Г. Р. Бербидж, П. М. Соломон, П. А. Стритт-маттер [44] привели новые доказательства о связи между яркими галактиками и квазарами, статистически исследуя двойные галактики, радиогалактики и квазары. В самое последнее время X. К. Арп, Е. М. Барбидж, К. Д. Маккей и П. А. Стритт-маттер [45] нашли, что радиоисточник 3С 455, первоначально отождествлённый с галактикой NGC 7413, должен быть в действительности отождествлён с квазизвёздным объектом на 23 сек дуги севернее упомянутой галактики. «Квазизвезда» имеет красное смещение 0,543 с, тогда как у галактики красное смещение только 0,03321 с. Между собой они физически связаны.

Дополнительные свидетельства в этом направлении имеются у С. М. Симкин [46], X. К. Арпа [47] и в работах Т. Яаккола [48]. А высказывания разных авторов о возможных недоплеровских компонентах красных смещений галактик приводятся в работе Г. и А. Вокулёров [49]. Все эти данные заставляют усомниться в справедливости чисто доплеровского объяснения космологического красного смещения у квазаров, а также и в спектрах галактик и рассмотреть другие возможности его объяснения, а их имеется немало4. Были сделаны попытки объяснить его изменением фундаментальных постоянных: гравитационной G (теории Дирака и Станюковича), скорости света с (Чуриловский В. Н. [50], С. Р. Малин [51]) и др., то есть изменением структуры пространства–времени, его метрических свойств, как в гипотезе С. Беллерта [52] (гипотезы, отнесённые сюда назовем глобальными). Конечно, у нас пока нет никаких экспериментальных данных об этом. Кроме того, мы не можем утверждать, что и с самими фотонами за миллионы и миллиарды лет, пока они идут до наблюдателя, ничего не происходит. А они могут взаимодействовать с метагалактическим веществом: рассеиваться им, поглощаться по всему спектру и в линиях. Однако это влияние очень мало и оно пока не наблюдается, так же как не наблюдаются и гравитационные взаимодействия с метагалактическим полем и отдельными галактиками. Мы также не знаем, имеется ли поглощение и экранирование гравитационного поля. Тем не менее гипотеза о гравитационном торможении фотонов существует [53]. Сюда же можно отнести и гипотезу о взаимодействии фотона со своим гравитационным полем [54].

Впервые гипотеза о «старении» фотона была высказана А. А. Белопольским в 1930 г. [^ 55] и у многих учёных нашла поддержку5. Смысл этой гипотезы состоит в том, что энергия кванта во время его распространения в Метагалактике уменьшается и тем больше, чем дальше от наблюдателя находится та или иная галактика. В результате получается красное смещение.

С 1935 года и позднее Е. Хаббл [61, 62], а также Р. Ч. Толмен [63] уделяли много внимания попытке найти чисто наблюдательный критерий для выбора между экспансионным и фотонным объяснением явления красного смещения. Позже к этой задаче обратились Цвикки Ф. [64] и Эйгенсон М. С. [65] и др. Однако, низкая точность наблюдений пока ещё не позволяет надёжно сделать такой выбор.

Все гипотезы о красном смещении, которые опираются на явления, связанные с самими фотонами, мы будем называть локальными. Для своего объяснения они требуют задания какого-либо механизма взаимодействия или структурности фотона.

Кроме гравитационных взаимодействий, большую группу таких локальных гипотез составляют взаимодействия фотона с: 1) электронами [66] и другими более тяжёлыми частицами; 2) фотонами [67, 68] и нейтрино [69, 70].

Остановимся на этих гипотезах. В них мы сталкиваемся с двумя большими трудностями. Во-первых, трудно объяснить постоянство z=Δλ/λ0 в широком интервале спектра от коротковолнового оптического и до длины волны в 21 см в радиодиапазоне. Во-вторых, если указанная потеря энергии обусловлена рассеянием фотонов на фотонах или фотонов на свободных и даже связанных электронах и др. частицах, то по законам сохранения момента количества движения должен изменить величину и направление соответствующий импульс и как следствие этого более далёкие галактики должны были быть при фотографировании всё более и более размытыми6. Это количественно легко показать. В частности, это сделал Р. Е. Аткинсон [71] в своей полемике с Г. С. Шелтоном по данному вопросу. Повторим эти соображения.

При потере энергии Δε квантом с энергией ε во время его распространения красное смещение в относительных частотах будет

Δν/ν =Δε/ε.

Момент кванта (или цуга волн) будет – ε/c. Квант сталкивается, например, с частицей массы т, движущейся в том же направлении со скоростью v1 и в перпендикулярном направлении со скоростью v2, при полной скорости v2= v12+ v22. Пусть Δv1 увеличение скорости частицы v1 при столкновении со светом. При этом пусть v2 не изменяется.

Уравнение сохранения энергии запишется в виде:

mv2/2 + ε = m(v12+ v22)/2+ ε =m[(v1+ Δv1)2+ v22]/2+ (ε – Δε).

До величин первого порядка малости это будет:

mΔv1 =Δε/v1. (1)

Продольный (в направлении луча) момент сохранится, если только

mv1+ ε/c = m(v1+ Δv1) + (ε – Δε)/с,

отсюда

mΔv1=Δε/с. (2)

Но уравнение (2) противоречит уравнению (1) и поэтому сохранение только продольного момента невозможно. Фактически это объясняется тем, что частица всегда переносит бóльшую долю момента, чем излучение. Совершенно очевидно, что разность (1) – (2), т. е.

Δε/v1 – Δε/с= Δε(1/v1 – 1/с)>0.

Этот избыток момента будет учтён, если принять во внимание компоненту скорости в перпендикулярном направлении для частицы и кванта (в противоположные стороны). Таким образом, направление квантов должно изменяться, а это приведёт, как указано выше, к размыванию изображений далёких галактик.

В соответствующем ответе Р. Е. Аткинсону Г. С. Шелтон [72] делает возражение, считая, что в данном случае проявляются волновые свойства света (а не корпускулярные) и волна теряет по пути энергию без изменения направления, ибо в данном случае смысл самого момента весьма не ясен.

В другой работе Р. Е. Аткинсон [73] приводит ещё и другой расчёт, который мы здесь также повторяем.

При малых углах α отклонения фотона при одном столкновении с электроном, из условия сохранения энергии и момента, имеем

(3)

при λ=c/ν=4·10–5 см численно это соответствует Δλ/λ =3·10–6 α2 (на одно столкновение). (4)

Красное смещение ^ Н = 550 км/сек/мпс7 соответствует относительному изменению частоты

Δν/ν = 1,8·10–6 (на 1 кпс) = 1,8·10–6/n (на одно столкн.). (5)

Здесь п — число столкновений кванта с частицами.

Из (4) и (5) имеем

(на одно столкн.). (6)

При любом п, отмечает Р. Е. Аткинсон, это значение α трудно согласовать с наблюдениями. Соответствующие отклонения, естественно, случайны. Поэтому полное отклонение при достижении наблюдателя будет равно

(7)

Таким образом, мы имеем полное отклонение на 1 кпс рад. = 0,78 рад. ~ 45° независимо oт величины n; или для любого расстояния r в кпс:

(8)

В этом случае далёкие галактики будут сильно размываться. Таким образом, потеря энергии квантом в результате Комптон-эффекта, например, с электроном не может происходить. Столкновения с более тяжёлыми частицами исключаются ещё в большей мере, ибо . Чтобы сохранить неизменность момента кванта по направлению, приходится ориентироваться на очень искусственные модели рассеяния, одну из которых и указывает Р. Е. Аткинсон [73] (рассеяние только «вперёд»).

Г. С. Шелтон долго обсуждал эту проблему с указанным выше автором [74]. Но в конце концов журнал «Observatory» сообщил о закрытии этой дискуссии на его страницах. В своей последней статье [72], для большей убедительности, Г. С. Шелтон приводит высказывание по этому поводу крупного физика Р. А. Милликена в частном письме от 15 мая 1952 г.: «Я не знаю никого, кто бы до настоящего времени показал, что мы не можем использовать потерю энергии фотонов при столкновении с электронами, связанными или свободными, для того, чтобы объяснить красное смещение. Я лично согласен с Вами в том, что эта гипотеза наиболее проста и менее иррациональна для всех нас».

Однако мы должны помнить, что трудность с зависимостью Δλ/λ0 = const. сохраняется в этой гипотезе, даже если отвлечься от искусственно введённого, преимущественного рассеяния фотона только «вперёд».

Вопрос о гипотезе «старения фотонов» в новой форме возник снова после работ Е. Финли-Фрейнлиха [67], в которых было показано, что красное смещение в спектрах звёзд и галактик как бы удовлетворяет соотношению

Δλ ~ ATe4L, (9)

здесь Te – эффективная температура, А – постоянная, a L – некоторая характерная линейная величина («размер» атмосферы звезды и др.), которая является весьма неопределённой. Таким образом, красное смещение связывалось в этой формуле с полем излучения, т. е., как следствие, с процессом рассеяния фотонов на фотонах и все возражения, приведённые выше, сохраняются и в этой гипотезе. Развивая эту гипотезу, К. Феррари д'Оккиеппо [75] указал, в частности, что недостаточно учитывать при этом поле излучения и размеры самой звезды (её «обращающего» слоя), а необходимо изучать ноле излучения также и вокруг звезды, которое изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от неё. По его мнению, этот учёт оказывается примерно в 1000 раз более важным, чем учёт поля излучения самой звезды. Подобное рассмотрение приводит к изменению постоянной А в формуле (9) и это уже подходит для объяснения явления красного смещения в спектрах галактик.

По гипотезе Е. Финли-Фрейндлиха последовало большое количество возражений, в частности, упоминавшееся возражение Р. Е. Аткинсона, затем крупнейшего физика М. Борна и др. [76–83]. Мы не будем сейчас вдаваться в их анализ. Укажем лишь, что В. Л. Гинзбург в своей статье [84] показывает, что для объяснения космологического красного смещения рассеянием света на электронах или фотонах необходимо, чтобы сечение для рассеяния света на электронах было σре~ 10–17 ÷ 10–16 см2, тогда как томсоновское сечение σре= 6,57·10–25 см2. Сечение для рассеяния света на фотонах необходимо σрр ~ 10–18 см2, в то время как современная теория даёт значение σрр ~ 10–70 см2. Кроме того, имеются трудности, связанные с угловым распределением рассеянного излучения, то есть, одним только рассеянием фотонов на фотонах или на электронах это явление объяснить трудно.

Очень важный аргумент в пользу недоплеровской природы красного смещения в спектрах галактик выдвинул Ф. Цвикки [85]. Если красное смещение обусловлено столкновениями фотона с фотонами или с другими частицами, то это должно проявляться не только в смещениях линий, но и в их ширинах. Ширины линий в спектрах галактик должны в этом случае изменяться с расстоянием (в данном случае от наблюдателя). При этом изменение это должно быть различным для линий излучения и поглощения. Действительно, если отвлечься от сейфертовских галактик, то в среднем линии излучения в спектрах галактик обычно уже, чем линии поглощения. Однако внутренние движения звёзд и облаков газа в самих галактиках могут быть также различными и отделить их от явления, связанного с изменением расстояния, очень сложно.

Кроме рассмотренных выше, были предприняты также безуспешные попытки объяснения явления красного смещения допущением, например, некоторой структуры фотона: состоящего из двух токов, движущихся навстречу друг другу и которые теряют свою энергию в результате взаимодействия с метага-лактическим гравитационным полем [86], имеющего пульсирующую «атмосферу» [87]. Вообще же представление о фотоне как сложной частице было высказано Луи де Бройлем [88], который предположил, что фотон с энергией есть некоторое образование из двух нейтрино с энергией /2. Затем это предположение развивал П. Йордан [89], который, в отличие от гипотезы Луи де Бройля, предполагал, что излучение фотона с частотой ν можно рассматривать как испускание в направлении движения фотона двух параллельно движущихся (т. е. когерентных) частиц – нейтрино и антинейтрино с энергиями hν' и h(ν–ν'). В дальнейшем несколько работ по нейтринной теории света было сделано А. А. Соколовым [90], в которых он развивает идеи Йордана.

В 1934 году О. Гальперном [91], а немного позднее В. Гейтлером [92], была выдвинута гипотеза о том, что движущийся в пустом пространстве фотон может спонтанно (вследствие взаимодействия с позитронами) распадаться на несколько фотонов меньшей частоты. Ещё в 1937 г. эта гипотеза была критически рассмотрена [93]. Теоретически была показана невозможность спонтанного расщепления фотона на 2, 3 и большее число фотонов из-за влияния физического «вакуума». Однако, так как расчёт проведён не совсем строго (на что указывает и сам автор), то вероятность существования такого явления в природе он полностью не отвергает.

Приближённая запись объединённой системы уравнений Эйнштейна и Максвелла даёт возможность квантования гравитационного и электромагнитного полей и предсказания возможности распада фотона на систему фотон+гравитон [94], хотя существование последней частицы само гипотетично. К этому приводит и гипотеза Р. Фюрса [95], в которой фотон при движении в поле тяготения галактики теряет энергию в виде излучения гравитационных волн («гравитонов»).

В. С. Поповым в 1968 г. была выдвинута гипотеза о спонтанном распаде фотона на фотон более меньшей частоты и какую-то другую нейтральную частицу, назовём её условно z'. То есть предполагается следующая схема распада: фотон → фотон'+z'.

Элементарное рассмотрение законов сохранения энергии и импульса приводит при этом к следующей формуле для массы покоя этой частицы:

где β= Δλ/λ= v/с, (10)

λ – начальная длина волны испущенного фотона, v – скорость источника фотонов, θ – размытость изображений галактик в угловой мере, а h и с – постоянная Планка и скорость света.

Из формулы (10) следует, что частица z' должна двигаться в направлении фотона (кстати, это спасает от размывания изображения галактик) и иметь равную нулю массу покоя. Однако при статистическом характере процесса одни кванты теряли бы больше энергии, другие меньше, происходило бы уширение спектральных линий, что, по-видимому, и наблюдается. Также, видно, очень ненамного изменяется и направление движения фотона, что приводит к тому, что изображения очень далёких галактик все же не точки и что z' уже может иметь не равную нулю массу покоя (в данном случае мнимую)8.

При таком рассмотрении постоянная Хаббла H есть ничто иное как вероятность спонтанного распада фотона, равная ~ 3,2·10–18 сек–1
  1   2




Похожие:

Статья из сборника \"Некоторые вопросы физики космоса\" iconПеред вами новая Сатанинская Библия. Она заимствована у Антона Шандора ЛаВея, с добавлением новых материалов
Ифера, изменив только некоторые вопросы и добавив еще некоторые факты и рассуждения. Версия Российской Церкви Сатаны чем то похожа...
Статья из сборника \"Некоторые вопросы физики космоса\" iconЕ. А. Тюгашев новосибирская экономико-социологическая школа: гендерный ракурс в III выпуске сборника научных статей «Социальные взаимодействия в транзитивном обществе» (Новосибирск, 2001) была опубликована статья
России»2, а также ряды других предшествующих публикаций школы. В связи с выходом в последние годы монографий «Россия, которую мы...
Статья из сборника \"Некоторые вопросы физики космоса\" iconПредварительные результаты опытов по развитию биологической системы под влиянием космических излучений
Целью работы является получение сигнала из космоса и исследование его влияния на некоторые свойства биологических культур
Статья из сборника \"Некоторые вопросы физики космоса\" iconАндрей белый, из сборника
Трудность ответа — в его краткости; не раз я собирался посвятить отдельное исследование вопросу, поднятому анкетой сборника
Статья из сборника \"Некоторые вопросы физики космоса\" iconВ. Ф. Турчин
Рефал и нового направления в программировании, связанного с преобразованием программ. Известен широкому кругу отечественных читателей...
Статья из сборника \"Некоторые вопросы физики космоса\" iconВ. С. Околотин корпускулярная концепция полевых взаимодействий статья
Первое издание настоящего сборника было отпечатано в 1990 г в серии «Проблемы исследования Вселенной», вып. 14. Необходимость переиздания...
Статья из сборника \"Некоторые вопросы физики космоса\" iconКонкурс стенгазет, посвященных 50 летию космоса «Тайны космоса»
Классные часы, посвященные 50-летию полета в космос (в рамках празднования года российской космонавтики)
Статья из сборника \"Некоторые вопросы физики космоса\" iconБ. Дж. Уоллес проблема пространства и времени в современной физике
Статья из сборника "Проблемы исследования Вселенной", вып. 15. Проблемы пространства и времени в современном естествознании. Спб.,...
Статья из сборника \"Некоторые вопросы физики космоса\" iconЭлективный курс по физике «Путь к звездам» учитель физики моу сош с. Сосновоборское Голодаева Н. С
Применение спутников связи. Автоматические космические станции и их роль в исследовании космоса. Пилотируемые космические полеты....
Статья из сборника \"Некоторые вопросы физики космоса\" iconАдреса педагогического опыта
Некоторые из перечисленных журналов выписывает школьная библиотека, некоторые печатные издания представлены в предметных кабинетах,...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов