Новая сущность. Часть 10. Темная материя в шаровых скоплениях

Часть 9. http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/11/9.html

    Федор Дергачев

    Прежде чем двигаться дальше, считаю необходимым, возвратившись к перечню вопросов о проявлении новой сущности в «Части 5», разобрать несколько тезисов.

    Сначала – тезис под номером три о вращении бара спиральной галактики.

    Обнаружены признаки зрелости галактик

Спиральная галактика NGC 1300. В центре хорошо видна перемычка (bar). Фото NASA/Hubble, 2005

    «История изучения спиральной структуры галактик тесно связана с исследованиями ещё одного чипа галактических структур - так называемых центральных перемычек, или баров. Последние представляют собой звёздные эллипсоиды, наблюдающиеся в центральных областях более чем половины спиральных галактик. Как и спиральные рукава, центральными частями которых они, видимо, чаще всего и являются, бары вращаются твёрдотельно в плоскости галактического диска. 
    Бары могут быть двух типов: быстрые и медленные. Вероятнее всего быстрые бары образуются в результате так называемой бар-неустойчивости диска, в котором звёзды движутся по орбитам, близким к круговым. Возникающий в этом случае бар вращается примерно с той же скоростью, что и галактический диск у его концов. Альтернативная возможность состоит в формировании медленного бара из звёздной системы с преобладанием вытянутых в радиальном направлении орбит». (Алексей Фридман «Из жизни спиральных галактик». Глава «Центральные перемычки»). 

    «В настоящее время нет общепринятой теории возникновения перемычек. Согласно наиболее распространенной гипотезе, перемычки возникают в результате гравитационных возмущений, исходящих из центра галактики. Из-за них звезды сходят со своих орбит и сбиваются в скопления. В этих формациях звезды движутся примерно с одной угловой скоростью. На следующем этапе нарушается движение по орбитам уже скоплений и так далее. В конце концов, процесс приводит к возникновению вытянутой звездной формации, проходящей через центр, в которой все звезды движутся примерно с одной угловой скоростью. При этом звездные рукава примыкают к концам перемычки». («Обнаруженыпризнаки зрелости галактик». 30 июля 2008, 23:24). 

    «Как можно качественно представить себе формирование баров в галактиках? Согласно наблюдениям, имеется довольно широкое распределение галактик по удельным моментам. Протогалактики, получившие сравнительно большой удельный момент, образовали массивные диски, в которых в результате так называемой бар-неустойчивости формируется большой «быстрый» бар. У концов бара, где начинаются отстающие спиральные рукава, их линейная скорость и линейная скорость дифференциально вращающегося диска совпадают (если бар жестко связан со спиралями). Эта область диска у концов бара является местом основного – коротационного – резонанса галактического диска». («Физика галактических дисков», стр. 399. Глава 7 «Крупномасштабные волновые галактические структуры». 7.8. «Медленные галактические бары в спиральных галактиках». 7.8.1. «Некоторые особенности формирования баров»).

    Бар Млечного пути

    «Различие угловых скоростей орбитального движения как раз и является причиной того, что бары и спирали не могут быть постоянными структурами. Если бы они были связанными объектами, то намотались бы, как нитка на катушку.

    Многие десятилетия астрономы гадали, что же поддерживает эти формы. В 1960­х гг. загадку частично объяснила теория волн плотности, развитая Чиа­Чао Лином (Chia­Chiao Lin) и Франком Шу (Frank Shu) из Массачусетского технологического института. Согласно этой гипотезе, бары и спиральные рукава - это волны избыточной плотности, где звёзды временно скапливаются в своеобразной „космической пробке“.

    Волна возникает из-за синхронизации орбитального движения звёзд. Орбита звезды в галактике не похожа на орбиту планеты вокруг Солнца или орбиту спутника вокруг Земли, поскольку в галактике нет доминирующего центрального тела. Несмотря на то, что у многих галактик в центре есть чёрная дыра, её масса составляет малую часть массы галактики и в основном распределена равномерно, вынуждая звёзды двигаться по орбитам, похожим на рисунки спирографа: незамкнутый эллипс постоянно смещается в процессе движения звезды по орбите (см. рис.).

Раньше астрономы думали, что наша Галактика - простая спираль, но оказалось, что это спираль с баром. В верхней рамке показан Млечный Путь по обзору 2MASS (ближний инфракрасный диапазон). Это наша Галактика, наблюдаемая с ребра; её ядро в центре снимка. Диск Галактики толще, чем ожидалось, а ядро шире и протяжённее слева, чем справа. Всё это говорит о наличии бара

    Например, Солнцу требуется около 230 млн. лет, чтобы пройти по своей эллиптической орбите, которая поворачивается на 105°; таким образом, солнечный эллипс делает полный оборот за каждые 790 млн. лет.

    Если эллипсы звёздных орбит вращаются с сильно различающимися скоростями, в галактике не возникают волновые структуры. Звёзды иногда сближаются друг с другом, но затем быстро расходятся. Волна возникает тогда, когда многие или все эллипсы поворачиваются с одинаковой скоростью. В динамическом образовании бара эти эллипсы ориентированы одинаково и создают область повышенной плотности вдоль своих главных осей. В спиральной волне ориентация соседних орбит различается незначительно, поэтому область повышенной плотности выглядит как изогнутая линия.

    Соответственно, звёздные орбиты могут двигаться в унисон. Что же заставляет эллипсы „шагать в ногу“? Это происходит благодаря спонтанной гравитационной неустойчивости. Поскольку гравитация в таких системах вызвана не внешним источником, а самими звёздами, волны их плотности могут сами себя усиливать. Процесс начинается, когда звёздные орбиты случайно выстраиваются и гравитация изменяет скорость вращения эллипсов: быстрые замедляются, а медленные ускоряются, так что их движение синхронизируется. Когда звезда входит в волну, гравитация запирает её на время, затем отпускает, и та уходит. А другие, последовавшие за ней, поддерживают сохранность структуры». (Франсуаза Комб «Рябь в галактическом пруду». Глава «Бар Млечного пути». «В мире науки»). 

    А теперь можно вернуться к тезису номер два о вращении гало старых звезд.  Возникает вопрос, чем вызвано такое «метание»? Я уже упоминал, что решил размещать материал в том порядке, каков был ход моих мыслей. Может быть, это не очень удобно читателям, но зато легче обнаружить ошибку.

    Тем не менее, обещаю, обещаю, что, начиная с этой части, события в Интернет-исследовании о новой сущности начнут разворачиваться стремительно.

    Сравнение скоростей звезд гало и диска

     «Орбиты старых и молодых звёзд имеют разный характер. Старые звёзды движутся в Галактике по сильно вытянутым орбитам (эксцентриситет орбит е > 0,5), молодые же вращаются вокруг центра Галактики по орбитам, близким к круговым (для большинства из них е < 0,2-0,3). Так же движутся газ и пыль. В совокупности молодые звёзды, газ и пыль образуют вращающийся с большой скоростью диск Галактики, тогда как гало старых звёзд почти не вращается. При этом диск как бы вложен в подсистему старых звёзд. В Галактике (за исключением её центра) отдельные звёзды практически не взаимодействуют друг с другом. Характерное время взаимодействия, в результате которого изменяются импульсы и моменты вращения звёзд вокруг центра Галактики (время релаксации), ~10¹⁴ лет, то есть много больше возраста Галактики (~10¹⁰ лет). Поэтому между подсистемами нет обмена моментом вращения и оказывается возможным такое своеобразное состояние, когда диск вращается внутри почти неподвижного гало.

    Наконец, звёзды Галактики в зависимости от возраста по-разному распределены в пространстве. Старые звёзды заполняют сферический объём радиусом ≈20 кпк, причём их концентрация быстро растёт к центру. Молодые концентрируются в тонкий диск с толщиной, в десятки раз меньшей его радиуса». («Динамика и кинематика Галактики»).

    Вышеприведенный отрывок ценен тем, что в нем содержится классический пример подмены понятий. Приведен не вызывающий сомнений наблюдательный факт, что в Галактике «диск вращается внутри почти неподвижного гало… В совокупности молодые звёзды, газ и пыль образуют вращающийся с большой скоростью диск Галактики, тогда как гало старых звёзд почти не вращается».

    В то же время автор делает попытку дать поразительное по своей нелепости объяснение: «В Галактике (за исключением её центра) отдельные звёзды практически не взаимодействуют друг с другом. Характерное время взаимодействия, в результате которого изменяются импульсы и моменты вращения звёзд вокруг центра Галактики (время релаксации), ~10¹⁴ лет, то есть много больше возраста Галактики (~10¹⁰ лет). Поэтому между подсистемами нет обмена моментом вращения…»

    Между тем скорость звезд, вращающихся в гравитационном поле вокруг общего центра, никоим образом не зависит от взаимодействия друг с другом. Их скорость должна определяться только орбитой. И если на одной орбите звезды двигаются с различающимися на порядок (!) скоростями, дело явно не во взаимодействии, а в природе воздействующих сил – может быть, не только гравитационных. Гравитация не предполагает подобного избирательного действия.

    Интересно, что наличие в сфероидальной системе галактик темной материи, несмотря на обилие рассуждений в его пользу, не является абсолютно обязательным.

    Для образования шаровых звёздных скоплений темная материя не требуется

    «Выполненное учёными из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и Принстонского университета (оба - США) моделирование показало, что образование шаровых звёздных скоплений может проходить без участия гало тёмной материи.

    При моделировании авторы пользовались данными наблюдения шаровых скоплений NGC 2419 и MGC1. Первое располагается на расстоянии в 30 000 световых лет от центра Млечного Пути, а второе - в 65 000 световых лет от центра соседней галактики Андромеды. Поскольку скопления находятся на периферии, их гало тёмной материи, если они когда-либо существовали, должны были сохраниться до наших дней.

Скопление NGC 2419 (иллюстрация Fundación Galileo Galilei - INAF).

http://www.naoj.org/Gallery/hdtv/ngc2419_s.jpg

«M30. Шаровое скопление в созвездии Единорога» 

    Присутствие тёмной материи влияет на плотность расположения звёзд: скопления, лишённые тёмного гало, со временем теряют светила, которые находятся на границах. Именно это, как выяснили астрофизики, и происходит в случае NGC 2419 и MGC1.

    Отсюда следует, что эти два скопления сумели обойтись без тёмной материи. По предположению одного из участников исследования Чарльза Конроя (Charles Conroy), формированию NGC 2419 и MGC1 способствовало сжатие газа при взаимодействии галактик в молодой Вселенной.

    Стоит заметить, что гало тёмной материи всё же могли служить необходимым условием образования некоторых наиболее массивных шаровых скоплений. К этой группе объектов относят скопления M54, M22, ω Центавра, NGC 1851 и Mayall II.

    Полная версия отчёта будет опубликована в издании The Astrophysical Journal; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv. Подготовлено по материалам ScienceNOW». («science.compulenta.ru». 09 ноября 2010 года, 17:39).

    Если говорить о шаровых звездных скоплениях, то хочу напомнить, что они находятся не в плоской, а в сферической подсистеме (гало) спиральных галактик (о подсистемах см. «Структура Галактики: диск и гало»), которая является самой древней их частью. В нашей Галактике – возраст этой подсистемы составляет от 12 до 13 млрд лет и, по последним расчетам астрономов, она принадлежала эллиптической  галактике, предшествовавшей современному Млечному пути (который в настоящее время относится к классу спиральных галактик).

    К тому же у объектов сферической подсистемы нет такого нарушения законов Кеплеровской динамики, как в плоских подсистемах. Об этом я подробно написал в статье  «Извне. Часть 1. Об обращении небесных сфер».

    Постоянно обращаюсь к аналогии между сферическими подсистемами спиральных галактик и эллиптическими галактиками, на что есть важные причины, связанные с общностью процессов эволюции звезд. В этой связи интересно замечание И.С. Шкловского о вспышках сверхновых звезд в эллиптических галактиках.

    Сверхновые звезды в эллиптических галактиках

    «[На кривой] блеска сверхновой I типа… после быстрого подъема яркость в течение длительного времени почти постоянна. Затем блеск сверхновой довольно быстро падает, после чего дальнейшее увеличение ее видимой величины идет почти по линейному закону, что соответствует экспоненциальному уменьшению светимости. Обращает на себя внимание большое сходство кривых блеска у разных сверхновых после максимума. Совершенно другой тип блеска показывают сверхновые II типа… Они отличаются большим разнообразием. Как правило, их максимумы «уже» (т. е. они занимают меньше времени). На заключительной стадии кривые блеска сверхновых этого типа значительно круче. Иногда наблюдаются вторичные максимумы и т. д.

    …Очень интересной и, несомненно, важной, является зависимость типа сверхновой от характеристики галактики, в которой происходит вспышка. Сверхновые II типа вспыхивают только в ветвях спиральных галактик, между тем как в эллиптических и «неправильных» галактиках вспыхивают только сверхновые I типа. Заметим, однако, что в спиральных галактиках (например, в нашей Галактике) вспыхивают как сверхновые II, так и I типов. Тот факт, что в эллиптических галактиках вспыхивают ТОЛЬКО сверхновые  I типа, сам по себе весьма многозначителен. Дело в том, что по современным представлениям, основывающимся на теории звездной эволюции и наблюдательных данных… в составе звездного населения таких галактик практически нет звезд, масса которых превышала бы некоторый предел, близкий к массе Солнца. В эллиптических галактиках почти нет межзвездной среды, и поэтому процесс звездообразования давно уже там прекратился (исключение могут составлять только самые центральные области таких галактик). Следовательно, звездное население таких галактик – это очень старые звезды с малой (не больше солнечной) массой. Когда-то, около 10 миллиардов лет назад, когда в эллиптических галактиках бурно протекал процесс звездообразования, там рождались и массивные звезды. Но сроки их эволюции… сравнительно невелики, и они давно уже прошли стадию красных гигантов, превратились в белые карлики и другие «мертвые» объекты… Отсюда следует важный вывод, что сверхновые I типа до взрыва – это очень старые звезды, масса которых если и превосходит массу Солнца, то очень ненамного (скажем, на 10-20%). Так как кривые блеска и спектры… всех сверхновых этого типа удивительно сходны, мы можем утверждать, что и в спиральных галактиках (например, в нашей), звезды, вспыхивающие как сверхновые I типа, суть очень старые объекты со сравнительно небольшой массой». (Шкловский И.С. «Звезды: их рождение, жизнь и смерть». – 3-е изд., перераб. – М,: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1984, стр. 207-209. Часть III «Звезды взрываются». Параграф 15 «Общие сведения о сверхновых звездах»).

    [Дополнение 21 октября 2015 года

    «Хаббл» получил снимки кольца из звездных «роддомов» в галактике M94

    «Орбитальный телескоп «Хаббл» получил фотографии спиральной галактики M94 в созвездии Гончих Псов, на которых можно увидеть необычное кольцо из «звездных яслей» на ее окраинах, сообщает официальный сайт телескопа.
    Галактика M94, относящаяся к категории так называемых «спиральных галактик с перемычкой», была открыта французским астрономом Пьером Мешеном в 1781 году. Она расположена относительно недалеко от Млечного Пути, на расстоянии в 16 миллионов световых лет от Земли, и обладает несколькими необычными чертами, которые заставляют астрономов постоянно следить за ней.

Astronomy Photo of the Day: 10/19/15 - The Heart of M94

    Ее главное необычное свойство – два концентрических кольца, расположенных в особой геометрической последовательности относительно друг друга, заполненные почти эксклюзивно молодыми и недавно сформировавшимися звездами. В них, по текущих подсчетам ученых, формируется примерно в два раза больше звезд, чем в центральной части М94.

    Причина формирования этих колец и запуска огромного количества «звездных яслей» в них пока остаются неизвестными для астрономов. Они предполагают, что некоторое время назад М94 столкнулась и поглотила другую галактику, что породило серию ударных волн, смявших газ на окраинах М94 и заставивших его превратиться в новые центры звездообразования.
    Следом этого столкновения может быть другая необычная черта этой галактики – в ней, как показывают наблюдения с «Хаббла» и ряда других телескопов, почти отсутствуют запасы темной материи. Пока астрофизики не знают, чем можно объяснить этот феномен и понять, как М94 вообще может существовать, и новые снимки с «Хаббла» и других телескопов, как надеются ученые, помогут раскрыть эту тайну». (19.10.2015, 13:05). 

    Источник: "Starburst galaxy Messier 94". (19 October 2015, 10:00).]

    [Последние изменения внесены 21 октября 2015 года] 

    «Новая сущность». Часть 11. «Взаимодействие черных дыр с темной материей». http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/11/11.html