Вселенная состоит из барионной материи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вселенная состоит из барионной материи

Л. М. Топтунова

«Существование темной материи было постулировано в 1930-е годы шведским астрономом Фрицем Цвикки для объяснения недостатка во Вселенной массы -- видимых галактик «не хватало» для того, чтобы небесные тела вели себя так, как наблюдают астрономы». Слово «видимых» выделено мной. А из чего, собственно, следует, что все галактики должны быть для нас видимы? И ещё один вопрос: если галактика для нас видима, то всё ли, что имеется в этой галактике, мы сумеем увидеть? Вот на эти два вопроса я и буду отвечать далее в этой статье.

Итак, повторяю оба вопроса ещё раз более чётко:

1. Все ли галактики, как далёкие, так и близкие, видны в оптическом диапазоне излучения?

2. Если галактика видна в оптическом диапазоне излучения, то не ускользает ли от фиксации приборами наблюдателей часть материи, принадлежащей галактике? Здесь сразу нужно подчеркнуть, что речь идёт не о гипотетической тёмной материи, а об обычной барионной материи, из которой состоит наша земля и мы с вами.

На первый вопрос отвечает кандидат физико-математических наук В.С. Лебедев, сотрудник Специальной Астрономической Обсерватории РАН (Нижний Архыз). К сожалению, ссылку на источник текста дать не могу, так как это из личной переписки. В 1990 году в г. Самаре состоялся 1-й Всесоюзный семинар «Новые идеи и альтернативные взгляды в космологии». Семинар продолжался ещё два года в 1991 и 1992 годах, затем прекратил свою деятельность. Но между участниками семинара остались профессиональные связи, поддерживаемые перепиской. В моей личной переписке сохранилось обсуждение вопроса о механизме возникновения новых галактик на современном этапе существования Вселенной. При написании данной статьи я ещё раз обратилась к В.С. Лебедеву, и он опять подтвердил сказанное им ранее. Вот его точка зрения.

«Нельзя сказать, что первично - газ или звезды. Но и то, и другое концентрируется под действием гравитации в агрегаты, которые называют галактиками. В природе происходит круговорот вещества: газ - звезды - газ.... Функция звездообразования такова, что образуется много маломассивных (< 0.5 М_?, М_? - масса Солнца) и поэтому долгоживущих звезд (коричневых и черных карликов). Более массивные звезды эволюционируют с потерей массы и превращаются в белые карлики (при начальной массе менее 8 М_?) и в нейтронные звезды (при начальной массе более 8 М_?). Выброшенный звездами газ добавляется к остаткам газа от предыдущего цикла звездообразования и идет на образование звезд следующего поколения. Но рано или поздно этот процесс заканчивается, и такая галактика становятся объектом населенным нейтронными звездами, белыми и черными карликами. Такая галактика излучает очень мало энергии и становится недоступной для наблюдений.

Но динамически (как система гравитирующих масс) эта галактика эволюционирует (теряет часть своих членов, а оставшиеся сжимаются в более тесную компанию). Такая галактика может попасть в область с большим содержанием газа или на неё из межгалактической среды аккрецирует газ в количествах, достаточных для цикла звездообразования, и тогда галактика вновь становится обнаружимой. Это один вариант.

Другой вариант развития: плотность потухших звезд возрастает настолько, что становятся вероятными столкновения звезд. Думается, что этот процесс описывается теорией катастроф (одно столкновение разрушает две звезды и образуются продукты столкновения, которые резко увеличивают сечение столкновения других звезд с ними и дальше происходит лавинообразный процесс разрушения звезд и возврат вещества в упоминаемый круговорот газ - звезды, причем, разрушение нейтронных звезд возвращает это вещество в форме водородных атомов). Может быть, квазары и являются такими объектами с процессом разрушения звезд.

Мы знаем, что галактики могут сталкиваться друг с другом. При этом важно, что звездное население (если оно не достигло большой плотности) слабо взаимодействует между собой, в то время как газовые составляющие галактик взаимодействуют как неупругие шары. Это приводит к выметанию газа из галактик. Этот газ может сам породить процесс звездообразования, или будет захвачен другой потухшей галактикой и пополнит ее питанием для процесса звездообразования.

Итак, Вселенная преимущественно заполнена газом, межгалактическими звездами (и нормальными, выброшенными из галактик, и потухшими) и темными галактиками из потухших звезд. И только иногда потухшая галактика, захватив достаточное количество газа, вспыхивает как нормальная галактика и тогда становится видимой. Еще более редко в потухшей галактике начинаются процессы столкновения звезд и такая галактика (ее центральные более плотные области) вспыхивает как квазар.

Итак, вот мое представление:

5% вещества Вселенной - светящееся вещество, 95% - вещество в слабосветящихся формах (нейтронные звезды, белые карлики, коричневые и черные карлики, планеты, астероиды, пыль и газ). Вселенная вечная с постоянно эволюционирующим населением - круговорот материи. А соотношение 1/20 - это соотношение времен нахождения вещества в форме обычных звезд и в форме слабосветящихся объектов».

От себя хочу добавить пояснение: В.С. Лебедев в приведенном выше высказывании не делает различия между газом и пылью, называя обе эти субстанции общим словом «газ».

Из приведенной выше точки зрения профессионального астронома следует, что основная масса галактик находится в ненаблюдаемом состоянии. Ненаблюдаемыми могут быть не только отдельные галактики, но и скопления галактик. Известно, что среднее число галактик в скоплениях равно 130. То есть масса ненаблюдаемого скопления, по крайней мере, на два порядка больше средней массы галактики. Оказавшись на луче зрения такое скопление вызовет эффект гравитационной линзы, что иногда и фиксируется астрономами. В угоду принятой в настоящее время стандартной модели развития Вселенной, такое явление истолковывают как облако гипотетической «тёмной материи», не имеющей ничего общего с обычной барионной материей. «Тёмная материя» не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним, что делает невозможным её прямое наблюдение. Обнаружить «тёмную материю» возможно только по создаваемым ею гравитационным эффектам. Аналогичная ситуация возникает, когда в скоплении часть галактик видима, но бОльшая часть галактик всё же ненаблюдаема. Тогда судят о массе скопления по видимым галактикам и говорят, что недостающую массу скопления составляет тёмная материя».

Возникает вопрос - неужели к моменту постулирования существования «тёмной материи» астрономам не было известно, что обычная барионная материя способна находиться в форме слабосветящихся объектов, не фиксируемых на фотопластинках? Разумеется, это было известно. Зачем же тогда понадобилось вводить новую, никогда не наблюдавшуюся форму материи, наделённую рядом экзотических свойств? История того, как научная мысль иногда сворачивает на тупиковый путь развития, ещё ждёт систематического изучения. Но уже сейчас отдельными энтузиастами проведены некоторые исследования, позволяющие проследить зигзаг мысли, приведший современную физическую науку к тёмным сущностям «тёмная материя» и «тёмная энергия».

Началось всё ещё в позапрошлом веке. Уже начиная с Ньютона, исследователи физических явлений пришли к выводу о том, что взаимодействия между телами передаются через материальную среду, находящуюся между ними. Тогда эту материальную среду называли эфир, а сейчас, как правило, называют вакуум. Материальная среда, как носитель энергии, может переносить и передавать ее из одной точки пространства в другую, что и является главным условием передачи потенциала взаимодействия с конечной скоростью.

Далее цитирую http://n-t.ru/tp/ng/yzp.htm: «Первым о последствиях существования конечной скорости взаимодействия задумался К.Ф.Гаусс, и в 1835г. он вывел закон динамики электромагнитного взаимодействия частица - частица, зависящий от относительной скорости взаимодействующих частиц…. И хотя сам закон оказался не совсем верным, был важен логический подход к его выводу, сама идея. Его закон был результатом моделирования процесса взаимодействия, рассуждения просты и логичны, а выводы повторимы и проверяемы.

Он рассуждал примерно так. Если скорость распространения потенциала взаимодействия конечна, …то к движущемуся телу он приходит с некоторым запозданием, поскольку с момента движения его от первого тела, второе переместилось в другую точку…Чем больше абсолютная скорость между телами, тем больше запаздывание потенциала. При достижении… скорости, равной скорости взаимодействия, происходит полное запаздывание (потенциал от первого тела не может достичь второго) и взаимодействие тел отсутствует, его сила равна нулю».

Гаусс умер, не успев опубликовать своего открытия. Но он успел послать письмо в Лейпциг своему младшему коллеге и другу Веберу. Вебер уточнил закон Гаусса и опубликовал его в 1846 году.

А далее следует череда заблуждений великих физиков. Гаусс, а за ним Вебер совершенно определённо следовали принципу ближнедействия. Принцип ближнедействия требует наличия особой среды для передачи всех силовых взаимодействий, известных в природе. Гельмгольц же удивительным образом воспринял закон Гаусса-Вебера как закон дальнедействия (т. е. мгновенного действия на расстоянии через пустоту) и выступил с резкой его критикой. Он был в то время известным и весьма влиятельным ученым, и его мнение сыграло решающую роль. Это была первая роковая ошибка, вызванная непониманием. Вторая ошибка была совершена Дж.Дж. Томсоном в 1881г. Явление запаздывания потенциала он истолковал так, что с ростом скорости электронов растет их масса. Завершил череду ошибок знаменитый и влиятельный ученый - физик Г.Лоренц. Закон Томсона предполагаемого изменения массы электрона приблизительно совпал с множителем Лоренца, который тот применил как гипотезу сокращения продольных линейных размеров при приближении к скорости света. Из этого возникли преобразования Лоренца, положенные затем Эйнштейном в основу специальной теории относительности (СТО) в 1905 г. В дополнение к преобразованиям Лоренца Эйнштейн добавил постулат, что невозможно выделить единственную покоящуюся систему, следовательно, все инерциальные системы равноправны, зафиксировал скорость света и в явном виде постулировал пустоту пространства.

Последствия введения Эйнштейном общего принципа относительности были ужасны: рушились все законы сохранения классической механики; появился чудовищный монстр в виде эквивалентности массы и энергии; был создан искусственный симбиоз времени и пространства, которое к тому же еще искривлялось; возник эффект близнецов и т.д. Работа Эйнштейна по этой причине сразу попала в центр внимания физиков (и не только физиков). С тех пор считается общепризнанным, что все события электродинамики развиваются в абсолютной пустоте. Так на рубеже 19-20 веков физика свернула на ложный путь развития.

Справедливости ради нужно отметить, что Эйнштейн даже после создания общей теории относительности (ОТО) в 1916 г. продолжал сомневаться, правильно ли он поступил, изгнав из физики эфир. Вот два его высказывания по этому поводу:

«Резюмируя, можно сказать, что общая теория относительности наделяет пространство физическими свойствами, таким образом, в этом смысле эфир существует. Согласно обшей теории относительности пространство немыслимо без эфира; действительно, в таком пространстве не только было бы невозможно распространение света, но не могли бы существовать масштабы и часы и не было бы никаких пространственно-временных расстояний в физическом смысле слова». ("Эфир и теория относительности", 1920 г.).

«Мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, т.е. континуума, наделенного физическими свойствами, ибо общая теория относительности, основных идей которой физики, вероятно, будут придерживаться всегда, исключает непосредственное дальнодействие, каждая же теория близкодействия предполагает наличие непрерывных полей, а следовательно, существование эфира». ("Об эфире", 1924 г.).

Признанию ОТО способствовали не только ошибки великих физиков, но и объективные кризисные явления в развитии физики, сложившиеся на рубеже 19 - 20 столетий (http://astrogalaxy.ru/856.html). В настоящее время именно ОТО является господствующей теорией в официальной науке и мировоззрении большинства физиков.

Вот теперь, когда мы проследили этапы развития физической мысли от запаздывающего потенциала Гаусса до ОТО Эйнштейна, можно ответить на вопрос: «почему физики отвергли вариант слабосветящихся объектов, не фиксируемых на фотопластинках, и ввели гипотетическую тёмную материю?».

Дело в том, что, как логическое следствие из ОТО, появилась теория Большого взрыва, объяснявшая красное смещение излучения галактик разлётом галактик. На основании наблюдений Хаббла был постулирован закон Хаббла Ї расстояние до галактики пропорционально красному смещению её излучения.

Большой взрыв должен был приводить к разлёту материи с постоянной скоростью. Однако, исходя из постоянства скорости разлёта, не удавалось объяснить наблюдаемые скорости разбегания галактик, определяемые по закону Хаббла. Пришлось ввести гипотезу: в момент времени 10^-45 секунды от начала взрыва начинается под действием антигравитации расширение Вселенной со всё нарастающей скоростью. Расширение сопровождается рождением материи. Расширение под действием антигравитации, сопровождаемое рождением материи, заканчивается в 10^-37 секунды. За это время образовалась вся материя Вселенной. Описанному явлению было присвоено название инфляция (вспучивание).

Из постулированной инфляции следовал слишком быстрый разлёт материи после момента 10^-37 секунды. Обычной массы для его гравитационного сдерживания не хватало. Поэтому вынужденно вводится вторая гипотеза: помимо обычной наблюдаемой материи присутствует невидимая тёмная материя, которая обеспечивает дополнительную гравитацию, сдерживающую разлёт. Напомним, что речь ведётся о времени после 10^-37 секунды от начала взрыва. Это и даёт ответ на вопрос, почему физики отвергли вариант слабосветящихся объектов, не фиксируемых на фотопластинках, и ввели гипотетическую тёмную материю. Ни о каких слабосветящихся галактиках и их скоплениях, не фиксируемых на фотопластинках, не могло быть и речи. Они не успели ещё образоваться. Вот и пошла в ход гипотетическая «тёмная материя». Физическая природа «темной материи» неизвестна до настоящего времени.

Из всего изложенного выше следует: никакой "тёмной материи" в принятом сейчас смысле в природе не существует. Введение этой сущности - это издержки физики, построенной на ОТО.

Начиная с начала 90-ых годов прошлого века модель холодной темной материи начала терпеть неудачу. Были сопоставлены расстояния до далёких галактик, найденные по закону Хаббла и стандартными методами астрономии. Расстояние, найденное стандартными методами, оказалось значительно больше, чем по закону Хаббла. Пришлось ввести третью гипотезу: кроме обычной материи и тёмной материи во вселенной присутствует антигравитирующая субстанция - тёмная энергия, разгоняющая с ускоренной скоростью галактики. Разумеется, физическая природа «темной энергии» также неизвестна. Заметим, что в настоящее время превышение истинного расстояния до далёких галактик над расстоянием Хаббла уже имеет объяснение, не требующее введения «тёмной энергии» (http://astrogalaxy.ru/858.html).

Следовательно, никакой "тёмной энергии" в природе не существует. Введение этой сущности - это также издержки физики, построенной на ОТО.

К сожалению, процесс введения всё новых и новых экзотических сущностей продолжается в рамках ОТО и до сегодняшнего дня.

Наиболее убедительными свидетельствами существования скрытой массы считаются:

1. наблюдения скоплений галактик;

2. эксперименты по микролинзированию.

3. кривые вращения (дисковых) галактик;

Выше было дано объяснение того, что наблюдение скоплений галактик не может служить основанием для утверждения о существовании «тёмной материи». Дело в том, что масса скопления оценивается по светящимся галактикам, а более многочисленные слабосветящиеся объекты, не фиксируемые на фотопластинках, в расчёт не принимаются. Аналогичная ситуация с экспериментами по микролинзированию. Здесь дело в том, что эффект гравитационной линзы вызывается скоплением, целиком или частично состоящим из недоступных для наблюдения галактик. Масса этих не фиксируемых в наблюдениях галактик и принимается за «тёмную материю».

Остаётся выяснить, как обстоит дело с кривыми вращения галактик. Доказательство того, что объяснение кривых вращения галактик не требует введения « тёмной материи», появилось совсем недавно - в начале этого столетия.

Кривая вращения галактики может быть представлена графиком, на котором отображена зависимость орбитальной скорости звёзд и газа в галактике от расстояния до центра галактики. Проблема вращения галактик -- это несоответствие между наблюдаемыми скоростями вращения материи в дисковых частях спиральных галактик и предсказаниями кеплеровской динамики, учитывающими только видимую массу (рис. 1, А - расчётная кривая, В - наблюдаемая кривая)

Рис. 1

астроном оптический барионный галактика

К настоящему времени уже известно, что все галактики окружены газовыми гало, диаметр которых в несколько раз превосходит диаметр звёздной составляющей галактики. На рис.2 показана кривая вращения спиральной галактики NGC~3198 (расположена в созвездии Большая Медведица), полученная по наблюдениям нейтрального водорода на длине волны 21 см. Она разложена на три составляющие: звёздная (оранжевый цвет), составляющая за счёт межзвёздного газа (бледно-голубой); составляющая за счёт газа гало (тёмно-синий). Результирующая кривая вращения показана светло-синим.

Рис. 2

Из сравнения кривых вращения на рис.1В и на рис.2 видно, что кривая вращения рис.2 с увеличением радиуса медленно опускается вниз, в то время, как кривая рис.1В не опускается, а напротив, даже слегка подымается. Такое различие можно объяснять неучтённой «тёмной материей», находящейся в галактике и её гало.

Окончательную ясность в вопрос, можно ли объяснить кривые вращения галактик с помощью одной только барионной материи, или придётся признать неизбежность введения «тёмной материи», внёс запуск 24 июня 1999 года орбитального космического телескопа FUSE, работавшего в ультрафиолетовом диапазоне. Работа телескопа планировалась на три года, но аппарат проработал 8 лет до 18 октября 2007 года. За это время был собран богатый наблюдательный материал: в окрестностях нашей Галактики было обнаружено большое число облаков высокоионизованного барионного газа.

Далее приводятся выдержки из статьи «Скрытая масса. Что это такое?» доктора физико-математических наук института астрономии РАН Б.М. Шустова:

«Газ во Вселенной нагрет ударными процессами до температур от сотен тысяч до десятков миллионов градусов. При таких температурах атомы теряют все или значительную часть своих электронов. Согласно атомной теории вещество в этом состоянии способно испускать или поглощать только весьма энергичные кванты. Длина волны таких квантов лежит в недоступном при наблюдениях с Земли ультрафиолетовом (УФ) участке спектра.

На рис. 3 показана карта облаков пятикратно ионизованного кислорода в окрестностях нашей Галактики, полученная на аппарате FUSE. Направления наблюдений показаны кружками, причем размер кружка соответствует величине поглощения (т.е. количеству ионов OVI на луче зрения). Полная масса барионов в этих облаках оценивается при относительном содержании кислорода 0.1 от солнечного в один триллион масс Солнца. Этого достаточно, чтобы объяснить значительную долю скрытой массы в гало нашей Галактики. Обнаружение в межгалактической среде кислорода означает, что там присутствуют и гораздо более распространённые элементы - в частности водород и гелий.

Таким образом, наблюдения с помощью относительно небольшого космического телескопа FUSE привели к удивительному результату, противоречащему сложившимся представлениям - оказывается, значительную долю скрытой массы в окрестностях Галактики можно объяснить присутствием плохо обнаруживаемого, но весьма распространенного тепло-горячего компонента барионной составляющей Вселенной!»

Рис. 3

Таким образом, «тёмная материя» лишилась последнего потенциального прибежища - в галактических гало достаточно обычной барионной материи для объяснения наблюдаемой формы кривых вращения галактик. Выяснено, что на данном этапе существования Вселенной для объяснения всех наблюдаемых явлений в нашей Галактике достаточно обычной барионной массы. А поскольку наша Галактика принципиально не отличается от любой другой галактики, можно утверждать, что все галактики Вселенной являются барионными.

При рассмотрении круговорота масс во Вселенной (газ - звёзды - галактики) из рассмотрения временно была исключена одна форма материи - излучение. Так как некоторая часть барионной массы Вселенной постоянно переходит в излучение, для объяснения устойчивого состояния Вселенной должен существовать механизм обратного перехода излучение - масса, поддерживающий неизменность баланса массы Вселенной. Открытие структуры вакуума (http://www.astrogalaxy.ru/848.html) сделало возможным раскрытие такого механизма (http://astrogalaxy.ru/877.html).

Выводы

1. В природе происходит круговорот вещества: газ - звезды - газ - звезды. После ряда таких циклов галактика становится недоступной для наблюдений, так как излучает очень мало энергии. Поэтому Вселенная преимущественно заполнена газом, межгалактическими звездами (и нормальными, выброшенными из галактик, и потухшими) и темными галактиками из потухших звезд. 5% вещества Вселенной - это светящееся вещество, 95% - вещество в слабосветящихся формах (нейтронные звезды, белые карлики, коричневые и черные карлики, планеты, астероиды, пыль и газ). Масса этих не фиксируемых в наблюдениях галактик и принимается за «тёмную материю».

2. Население Вселенной постоянно эволюционирует совершая круговорот материи. Яркая галактика постепенно переходит в разряд невидимых. Но иногда потухшая галактика, захватив достаточное количество газа, вспыхивает как нормальная галактика и тогда опять становится видимой.

3. Газ во Вселенной нагрет ударными процессами до температур порядка десятков миллионов градусов и потому полностью или почти полностью ионизован. Наблюдать такое вещество можно только в ультрафиолетовом участке спектра. Наблюдения с помощью орбитального космического телескопа FUSE, работающего в ультрафиолетовом диапазоне, показали, что недостающую массу в окрестностях Галактики можно объяснить присутствием плохо обнаружимого, но весьма распространенного ионизованного барионного газа.

4. На данном этапе существования Вселенной для объяснения всех наблюдаемых явлений в нашей Галактике, в том числе кривой вращения, достаточно обычной барионной материи. Поскольку массы всех галактик участвуют в общем круговороте материи, можно утверждать, что с учётом массы гало, кривые вращения всех галактик Вселенной объясняются барионной массой этих галактик.

5. Вселенная устойчива и имеет неизменный баланс барионной материи, поддерживаемый механизмом масса - излучение - масса.

6. Эффект гравитационной линзы вызывается скоплением галактик целиком или частично состоящим из недоступных для наблюдения галактик. Масса этих не фиксируемых в наблюдениях галактик и принимается за «тёмную материю».

7. Сущностей "тёмная материя" и "тёмная энергия" в природе не существует. Данные «тёмные» сущности является издержками физики, построенной на общей теории относительности.

Размещено на Allbest.ru