|
2. Аккреционный механизм происхождения красных смещений в спектрах галактик
Красное смещение излучения галактик объясняется двумя физическими явлениями: аккрецией межгалактического газа на центр масс галактики и флуктуациями фона ночного неба. Аккреция - это падение вещества на космическое тело из окружающего пространства. Флуктуации - случайные отклонения от среднего значения физических величин. Флуктуации возникают в системах, состоящих из большого числа частиц и принципиально неустранимы.
Фон ночного неба слагается в основном из трёх составляющих:
- - излучение от далеких, слабых галактик,
- - галактический фон (излучение слабых и ненаблюдаемых звезд нашей Галактики и рассеянное на межпланетной пыли излучение Солнца),
- - свечение атмосферы, вызванное фотохимическими процессами в ее верхних слоях.
Небольшой вклад в фон ночного неба вносит также микроволновое фоновое излучение, флуктуации которого были недавно открыты.
Флуктуации фона ночного неба обусловлены в основном тем, что свечение атмосферы изменяется в среднем каждые 2-3 минуты на величину порядка 2%. Кроме того галактическая и внегалактическая составляющие фона могут давать мощные кратковременные световые вспышки, превышающие иногда интенсивность фона в 70 раз.
В настоящее время практически все астрономические наблюдения произведены с поверхности Земли. Внеатмосферная астрономия делает только первые шаги (телескоп Хаббла, НАСА и др.). Но даже при внеатмосферных наблюдениях галактик необходимо будет учитывать флуктуации фона ночного неба, так как галактическая и внегалактическая составляющие фона всё равно останутся.
Красное смещение галактик определяется по их спектрам. Известно, что спектры близких и далёких галактик различны. Спектры близких галактик являются линейчатыми спектрами поглощения (абсорбционными от латинского absorptio - "поглощать"). Пример такого спектра показан на рис. 1
Рис. 1
В абсорбционном спектре видны линии поглощения, т.е. узкие разрывы в непрерывном распределении излучения. Происхождение этих линий объясняется тем, что полная энергия, которую испускает близкая галактика, представляет сумму излучений от всех ее звезд. А в спектре звезды абсорбционные линии возникают потому, что излучение горячих нижних слоев атмосферы звезды, проходя сквозь более холодные верхние слои, поглощается на некоторых длинах волн, характерных для определенных атомов и молекул.
Спектры далёких галактик являются линейчатыми спектрами излучения (эмиссионными от слова эмиссия - "испускать"). Возникновение эмиссионных линий в спектре галактики объясняется так. На центр масс галактики из межгалактического пространства аккрецирует газ. В процессе аккреции газ излучает эмиссионный спектр. Излучение аккрецирующего газа пропорционально скорости аккреции частиц, которая растет с уменьшением расстояния до центра галактики. Вследствие этого на непрерывный спектр галактики будут накладываться яркие эмиссионные линии аккрецирующего газа. Так как по отношению к наблюдателю аккрецирующий газ удаляется, то линии спектра газа будут смещены в красную сторону. Если аккрецирующий газ состоит в основном из водорода, то на непрерывном спектре галактики появятся более яркие линии спектра водорода (на рис. 2 показан эмиссионный спектр водорода).
Рис. 2
Есть также галактики, в спектрах которых присутствуют как эмиссионные, так и абсорбционные линии.
Аккреционный механизм красного смещения должен объяснить особенности спектров как близких так и далёких галактик.
Яркость (блеск) видимого диска галактики максимальна в центре диска (ядро галактики) и убывает к его краю. Кривая блеска J(R) единичной площадки диска галактики показана на рис. 3 (R - расстояние от единичной площадки до центра диска).
Рис. 3
Фон ночного неба Jф, обладает случайными флуктуациями с некоторой средней амплитудой ΔJф≈const. Участок видимого диска галактики не может быть надежно зафиксирован в спектре, если его блеск не превосходит δ•Δ Iф, где Δ - малая величина, значение которой зависит от экспозиции при фотографировании спектра. С увеличением экспозиции tэксп величина Δ уменьшается, наблюдаемость линии в спектре увеличивается, достигая оптимальной при некотором значении экспозиции tопт. При tэксп > tопт качество спектра ухудшается. Таким образом, неограниченным увеличением экспозиции устранить отрицательное влияние фона ночного неба нельзя.
С увеличением расстояния r до галактики её блеск убывает. На рис.4 изображены кривые блеска трёх совершенно одинаковых галактик, но находящиеся на разных расстояниях от наблюдателя: r3 > r2 > r1. Покажем, что в зависимости от расстояния до наблюдателя, спектр галактики будет либо абсорбционным, либо эмиссионным, либо смешанным.
Рис. 4
Как видно из рис.4 при удалении галактики её видимый радиус R уменьшается: r2>r1, но R2<R1. Если расстояние до галактики равно r3, то её видимый радиус равен нулю, так как в этом положении галактика ненаблюдаема.
Сравним излучение звёзд и излучение аккрецирующего газа из видимой части галактики. Объём видимой части галактики пропорционален R3. Излучение звёзд и излучение аккрецирующего газа нужно оценивать по одной и той же формуле:
J = k · ρ · R3,
где k - коэффициент пропорциональности (в каждом случае свой), а ρ - плотность излучающего вещества.
Плотность излучающего звёздного вещества ρзв в ядре галактики можно в первом приближении принять постоянной. Тогда излучение звёзд Jзв будет равно:
Jзв = k1 R3, (1)
где k1 = kзв · ρзв
При оценке излучения аккрецирующего газа плотность аккрецирующего газа быстро возрастает по направлению к центру галактики. Чтобы оценить плотность газа, свяжем с аккрецирующим газом сферический слой толщины dR (рис. 5).
 Рис. 5
Если бы внешняя и внутренняя сферы падали на центр галактики с одинаковой скоростью, то плотность газа, заключённого внутри слоя с уменьшением R возрастала бы со скоростью пропорциональной 1/R2, так как именно с такой скоростью уменьшался бы объём сферического слоя. Но в глубоких слоях галактики скорость аккрецирующих частиц возрастает до околосветовых значений. Это получено в расчетах и подтверждается наблюдениями (Воронцов-Вельяминов). В этом случае внутренняя сфера падает на центр быстрее внешней, объём сферического слоя уменьшается медленнее и, соответственно, плотность аккрецирующего газа возрастает медленнее. Для оценки излучения газа приняли
pаккр ~ 1/R1,5
Тогда излучение аккрецирующего газа из видимой части галактики будет таким:
Jаккр = k2 R1,5 (2)
Уменьшение видимого радиуса галактики R с увеличением расстояния r до галактики можно приближённо оценить по формуле:
R ~  (3)
где показатель p - положительная величина.
Если подставить оценку (3) в выражения (1) и (2), то получим формулы для оценки Jзв и Jаккр в зависимости от расстояния r до галактики:
Jзв = k1/ r3p, Jаккр = k2⁄ r1,5p
На рис.6 схематически изображены графики этих зависимостей.
Рис. 6
Из сравнения оценок Jзв и Jаккр видим, что с увеличением расстояния r до галактики излучение звезд убывает значительно быстрей, чем излучение аккрецирующего газа, заключенного в том же объеме. Следовательно, для каждой галактики существует некоторое критическое расстояние rкр такое, что при r < rкр будет Jаккр < Jзв, то есть в спектре галактики будет доминировать излучение звезд, а при r > rкр будет Jаккр > Jзв, то есть в спектре галактики будет доминировать излучение аккркцирующего газа. При значении r порядка rкр оба вида излучения будут соизмеримы по мощности. При этом в спектре галактики будут наблюдаться как эмиссионные, так и абсорбционные линии.
Таким образом, аккреционный механизм красного смещения объясняет особенности спектров галактик. Эмиссионные спектры галактик не являются свидетельствами какой-то особой природы этих галактик, а просто свидетельствуют об их удалённости.
Однако остаётся один вопрос, который требует дальнейшего разъяснения: почему в спектре галактики мы видим, как правило, одну серию линий с определённым красным смещением, а не множество серий с различными красными смещениями. Ведь в спектр видимого диска галактики попадает излучение из всего объёма, соответствующего видимой части галактики.
Ответ на этот вопрос, а также на некоторые другие интересные вопросы, будет дан в последующих разделах.
ЗАМЕЧАНИЕ. Основным возражением против аккреционного механизма красных смещений было следующее: аккрецирующий газ ионизован, значит является плазмой, галактики имеют магнитные поля, плазма вморозится в магнитное поле и, следовательно, никакой аккреции мы не увидим.
На это возражение можно ответить так. Магнитные поля галактик до настоящего времени практически не изучены. Только в последние годы появилось исследование по магнитным полям ближайших спиральных галактик. Среди исследованных галактик, крупномасштабное магнитное поле которых удалось идентифицировать, около 80% составляют галактики с дипольным или квадрупольным магнитным полем - так называемые бисимметричныее поля (Рузмайкин и др.). Структура этих полей показана на рис. 7.
Дипольное поле (Рис. слева) - Квадрупольное поле (Рис. справа)
Рис. 7
Если наблюдатель расположен по отношению к галактие так, как показано на рис. 8, то межгалактический газ аккрецирует на полюс не прямолинейно, а соскальзывает по магнитным линиям, создавая "эффект воронки". Это явление должно приводить к тому, что у спиральных галактик в скоплениях должны наблюдаться бóльшие красные смещения, чем у галактик других морфологических типов. И действительно, это было зафиксировано в наблюдениях (Гирауд, Сулентик).
Рис. 8
Если галактика расположена по отношению к наблюдателю так, как показано на рис. 9, то эффект останется, только видимая скорость аккреции будет равна проекции истинной скорости на луч зрения. Это, в частности, означает, что красное смещение галактики зависит в том числе от ориентации галактики по отношению к наблюдателю.
У двадцати процентов спиральных галактик, магнитное поле которых не является бисимметричным, также возможно аналогичное объяснение красного смещения, так как у них также есть разомкнутые на мировое пространство силовые линии.
Рис. 9
Остаётся добавить, около 70% всех галактик - спиральные (Фридман). Что касается галактик других морфологических типов, то о структуре магнитного поля таких галактик пока ничего не известно. В настоящее время предполагается, что их магнитное поле слабее магнитного поля спиральных галактик. Во всяком случае, оснований категорически отвергать для этих галактик механизм аккреции, подобный изложенному, нет.
Автором использованы результаты следующих работ:
- 1. А.А. Рузмайкин, Д.Д. Соколов, А.М. Шукуров. Магнитные поля галактик. - М., "Наука", 1988.С. 77, 80-81.
- 2. Воронцов-Вельяминов, Внегалактическая астрономия, М., 1978. С. 175, 429.
- 3. Сулентик (Sulentic J.W.), 1977, "Astrophus. J.", 211, №1. С. 59.
- 4. Гирауд (Giraud E.), 1981, "C.r.Acad.Sci.", 293, №4.С. 295.
- 5. А.М. Фридман, Из жизни спиральных галактик, http://wsyachina.narod.ru/astronomy/galaxy_10.html.
Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта декабрь 2008
3. Автор статьи Л.М. Топтунова
для проекта 'Астрогалактика'
Главная страница раздела
|
