Вероятно, основной особенностью скрытых масс является не то, что они не “видны” - если эти массы состоят из сравнительно небольших холодных объектов (тела Оорта), то современная астрономия просто не располагает средствами для их обнаружения в электромагнитном спектре - а то, что они не конденсируются в более крупные и в принципе “видимые” объекты.
В главе I мы уже отождествили комбинацию a2 b3 g с горизонтом вселенной
a
2 b3 g = RH = c/H,где
H - константа Хаббла, в этом случаеH
= 3.0362(19)10-18 с-1.Однако константа
a2 b3 g имеет три равноправных представления: длины (геометрического радиуса),массы (гравитационного радиуса)
a
2 b3 g = RG = MG/c2и кулоновского заряда (“зарядового” радиуса)
a
2 b3 g = RC = (Q/c2)(G/e)1/2.Сделаем наиболее естественное предположение, что верны все три толкования, т.е. что МГ при радиусе RH имеет полную массу RG и избыточный заряд RC, и проследим наиболее очевидные следствия такого предположения.
Первое и наиболее важное следствие: вещество МГ в среднем не взаимодействует (во всяком случае через центральные поля) - гравитационное тяготение полностью уравновешивается электростатическим отталкиванием
.Далее, легко подсчитать, что:
полная масса МГ
MМГ = a 2b4me = a2 b3 gc2/G ~ 1.3*1053 кг,
полный заряд
Q
МГ = a2b3e = a2 b3 gc2(e/G)1/2 ~ 3.2 1042 Кл,объем
V
МГ = (4p/3)(0.9873)3 Ч1078 ~ 4.0 1078 м3,средняя объемная плотность массы
r
МГ ~ 3.3 Ч10-26 кг/м3 ~ 20mp /м3.Поскольку по существующим оценкам плотность видимых масс в МГ составляет примерно 1 нуклон/м
3, т.е около 5 процентов от rМГ , то в рамках сделанных предположений видимые массы являются в сущности примесью к полной массе МГ.Назовем тело, заряд которого равен его массе (в L-системе единиц), нормально заряженным телом (НЗТ), а тело с отношением заряда к массе, отличным от единицы, соответственно перезаряженным или недозаряженным (вплоть до нейтрального).
Представим себе вначале “фоновую” ситуацию, когда вся масса МГ состоит только из нормально заряженных и близких к ним тел.
Поскольку элементарный заряд квантован, то минимальное нормально заряженное тело (МНЗТ) имеет массу
m0 =
bme ~ 6.610-9 кги несет один элементарный заряд. Будем считать, что НЗТ являются компактными образованиями, плотность которых не очень отличается от плотности воды, а форма - от сферической. При этих условиях примем за характерный радиус МНЗТ
r0 =10-4 м.
Также нет никакой нужды приписывать НЗТ какой-то экзотический химический состав. Для оценочных целей будем считать его близким к метеоритно-кометному, т.е. газовым или газо-водяным льдом с примесями металлов и металлоидов, возможно, в виде гидридов или/и дейтеридов. Из чего НЗТ состоять не могут, так это из гелий-водородной смеси в “звездной” пропорции.
Верхнюю границу массы нормально заряженных тел оценим из следующих соображений. Если мы начнем “лепить снежок” из МНЗТ, то его электростатическая энергия будет расти как n5/3, где n - число МНЗТ в комке, а энергия, приходящаяся на один элементарный заряд - как n2/3. Как только эта энергия окажется сравнимой или превысит энергию связи избыточного заряда с веществом тела, начнется процесс “испарения” заряда, т.е. нейтрализация. Оценивая электростатическую энергию МНЗТ как
E0
~ e/er0 ~ 10-4 эВ,а энергию связи в 1 эВ, найдем
n
~ 106.Конечно, оценка эта весьма приближенная, ток разряда при принятых условиях может оказаться ничтожным, но, с другой стороны, нас интересуют времена порядка 1/H и более. Поэтому примем за истинное утверждение, что все тела массивнее 10 г являются недозаряженными, вплоть до нейтральных. Помимо укрупнения, процессу нейтрализации способствуют подогрев и все ионизирующие воздействия.
Если бы вся масса МГ состояла из МНЗТ, то на каждое такое тело приходился бы объем пространства
V
~ 41078/a2b3 ~ 21017 м3,что соответствует среднему расстоянию между МНЗТ
l
~ 7.25105 м,и длине свободного пробега
L = V/
pr02 ~ 5 Ч1024 м.Однако такое распределение физически неправдоподобно. Очевидно, что среднее значение массы НЗТ (или, что то же, масса среднего НЗТ - СНЗТ) должно лежать где-то между 10 мкг и 10 г. Оценим это значение, исходя из следующих соображений. Поскольку мы усредняем по всей Метагалактике, то, согласно сделанным ранее предположениям, масса СНЗТ и среднее расстояние между ними должны быть фундаментальными константами и иметь вид aakblg. Поскольку масса МНЗТ равна g, то в массу СНЗТ b входить не может - слишком велико - т.е масса СНЗТ ~ akg (k<0), тогда число СНЗТ в Метагалактике ~ a2-kb3, объем пространства на 1 СНЗТ ~ a4+kb6g3, и среднее расстояние между СНЗТ ~ a(4+k)/3b2g. Легко видеть, что всем искомым условиям удовлетворяет только значение k= -1, т.е. примем, что
m” =
g/a = bme/a ~ 1 мгq” =
g/a ~ 137 eсреднее расстояние между СНЗТ
l” = 2
ab2g ~ 4. 106 ми, при плотности, близкой к плотности воды, диаметр СНЗТ
d”
~ 1мм ,а длина свободного пробега
L”
~ 2 .1025 мМножество НЗТ можно рассматривать как газообразную среду, в которой НЗТ играют роль молекул. В объеме МГ этот газ достаточно плотный (длина свободного пробега существенно меньше радиуса МГ), но в объемах с характерным размером существенно меньше 1024 м его можно считать газом с нулевой упругостью и вязкостью, ввиду отсутствия дисстанционного взаимодействия (в пренебрежении магнитными эффектами) между частицами и редкостью контактных столкновений. Поскольку не видно, какие диссипативные механизмы могли бы существовать в этих условиях, среду надо рассматривать как сверхтекучую и сверхпроводящую, хотя, из-за массивности носителей заряда, лишь для очень медленных процессов (которые появятся позднее). Для достаточно быстрых процессов среда прозрачна. А поскольку она не излучает, то с точки зрения (буквально) астронома-наблюдателя все пространство “безвидно и пусто”, а содержащиеся в нем массы являются скрытыми.
Однако, скрытые массы с распределенным избыточным зарядом равномерно заполнять пространство, повидимому, не могут, во всяком случае, если скорости их хаотического движения не особенно велики - менее 400-500 км/c. Опреденное
их подмножество испытывает взаимное тяготение, пусть и меньше ньютонова, и способно собираться в скопления, в то время как остальная часть стабильных скоплений образовывать не могут. Однако вряд ли образующиеся скопления могут достигнуть сами по себе такой плотности, чтобы в них возникли заметные диссипативные процессы. Следовательно, к дальнейшей конденсации в более крупные объекты скрытые массы таких скоплений неспособны.Однако представим себе, что внутрь такого скопления попал достаточно мощный источник электромагнитного излучения, собственной массой которого пока можно пренебречь, но излучение которого имеет ионизирующую компоненту (да будет свет!).
Поскольку фотоны взаимодействуют преимущественно с электронами, то картина процессов, протекающих под воздействием радиации источника, будет различаться в зависимости от того, чем определяется избыточный заряд - избытком протонов или электронов. Однако различие это не принципиально - в обоих случаях вещество в освещенной зоне будет в среднем нейтрализоваться. Кроме того, сравнения дальнейших выводов с наблюдаемыми фактами свидетельствуют, как показано ниже, в пользу электронной избыточности. На нее и будем в дальнейшем опираться.
Выбитые в результате фотоэффекта электроны, будучи максимально перезаряженными, быстро покинут освещенную область под давлением света, а затем и все скопление из-за кулоновского взаимодействия (оценка энергии такой эмиссии приводится далее). Нейтрализованная же компонента вещества создает зону ньютонова тяготения, уже не скомпенсированного кулоновским отталкиванием, что, в свою очередь, вызывает поток вещества из слабо освещенной периферии и дальнейшую его нейтрализацию. В результате плотность вещества в окрестности источника света повышается, создается местное недозаряженное (вплоть до нейтрального) сильно гравитирующее сгущение. Допуская некоторую вольность, можно сказать, что свет включает тяготение. Заметим также, что объемная плотность нейтрализованного, т.е. гравитирующего как с заряженными, так и с нейтральными телами, вещества должна быть пропорциональна плотности светового потока - 1/r2, а градиентная плотность его массы δm/δr- константной (r - расстояние до источника).
Дальнейшая судьба образовавшегося сгущения зависит от того, включатся ли в наш сценарий механизмы диссипации. Нет диссипации - нет и эволюции. Всякое тело, влетевшее в зону сгущения, точно так же из нее и вылетит.
Очевидный механизм возникает, если интенсивность источника такова,
чтобы вызвать в достаточно обширной окрестности испарение хотя бы самых низкокипящих фракций материала сгущения. В этом случае испарение и механическое разрушение тел приведет к образованию нейтрального газопылевого облака, в котором уже неизбежно возникает трение, и, как следствие, конденсация вещества на центральный источник или-и на собственные центры конденсации, в роли которых могут выступать неоднородности плотности массы и остаточных зарядов, с последующим процессом звездообразования. После этого начальный источник можно и устранить - галактика (или ее ядро), в принципе, сформирована и способна к самостоятельному существованию.Для определения дальнейших физических свойств и получения количественных оценок, вытекающих из развиваемого сценария, рассмотрим конкретно нашу Галактику.
В качестве характерного возьмем радиус R =1021м (33кпк, 105 св.лет), что примерно вдвое больше радиуса диска (и гало). В качестве другого характерного параметра - орбитальную скорость спутников Галактики v ~ 220 км/с. Из соотношения MG = v2R найдем массу внутри сферы с радиусом R
M = Rv2/G ~ 7.1041 кг.
Будем считать, что не менее половины этой массы (скажем, MC ~ 4.1041 кг) приходится на долю короны (скрытых масс), имеющей в действительности степень заряженности меньше 1, но не на столько, чтобы разницей нельзя было пренебречь в приближенных оценках. Для простоты рассуждений положим степень заряженности равной 1. В этом случае заряд короны под радиусом R
Q = M/(Ge)1/2 ~ 1.1031 Кл
и заряд этот распределен, как и скрытая масса, с постоянной градиентной плотностью
δq/δr = Q/R = 109Кл/м.
Разность потенциалов между поверхностями с радиусами R и r (R>r)
при ln(R/r) ~ 2, что соответствует интегрированию примерно до поверхности балджа.
Таким образом, элементарный заряд, разноименный с зарядом короны,
пройдя путь от R до r, войдет в балдж с энергией ” 1021 эВ. Протоны с близкой энергией действительно наблюдаются в составе космических частиц, но лишь как рекордсмены. Средняя же энергия в пересчете на протон на 11 порядков меньше. Однако, сам химический состав космики - протоны и ядра атомов- соответствует отрицательному заряду короны.Несоответствие современной средней энергии космических частиц вышеприведенным оценкам проистекает из того обстоятельства, что мы не включили в рассмотрение существование звезд гало, которое с полем указанной напряженности вообще несовместимо. В самом деле, возьмем, для определенности, Солнце, поместим его на поверхности радиуса R и найдем пересечение границы Роша с прямой центр Солнца - центр Галактики.
Оценку проведем в L-системе. Пусть, в общем случае, два тела с массами M1' и M2' и зарядами Q1' и Q2' находятся на расстоянии R друг от друга, а на прямой между их центрами на расстоянии r1 и r2 (r1 + r2 =R) находится пробное тело с массой m' и зарядом q'. Тогда граница Роша определится уравнением
(M1’m’- Q1’q’)/r12 = (M2’m’- Q2’q’)/r22 ,
или
(r2/r1)2 = (M2’m’- Q2’q’)/(M1’m’- Q1’q’).
Пусть теперь тело 1 - это корона под радиусом , тело 2 - Солнце
(M2 = 2.1030 кг, Q2 =0), а пробное тело - протон (q’/m’ = 4.1018), тогда(r2/r1)2 = (M2/M1)/(1+ Q1’q’/M1’m’) = 5.10-12/4.
1018 ~10-30 ,r2 = R
.10 -15 = 106 м,т.е. граница Роша оказывается чуть ли не в центре Солнца.
Практически же это означает, что любой положительный ион, включая однократно ионизованные многоатомные соединения, которым случилось оказаться в фотосфере на обращенной к центру Галактики поверхности звезды типа Солнца, и любой полностью ионизированный атом для звезд-карликов, будет извлечен из оной фотосферы, втянут в поле короны и присоединится к семейству космических частиц. Ток этих частиц
нейтрализует поле короны и, тем самым, сдвигает границу Роша в направлении к центру Галактики. После того, как граница Роша выйдет из под поверхности звезды (для Солнца r2 = 7.108 м, эффективный заряд короны Q1 EFF = 2.10-6Q1) ток нейтрализации резко падает. Энергия убегания от Солнца для протона близка к 103 эВ, фотосфера источником таких протонов быть не может - говорить можно только о солнечной короне.Масса протонов, необходимых для полной нейтрализации заряда 10
30 Кл близка к 1022 кг или к 10-8 солнечной массы. Даже если процесс нейтрализации осуществляется одной единственной звездой, такая потеря массы особого ущерба ей не нанесет.Представим теперь ситуацию, когда корона (будущей) Галактики уже сформировалась (вокруг источника света), но никакой звездной популяции (еще) нет. Мы будем обращаться к этой ситуации не раз, поэтому присвоим ей имя “С(итуация)0”.
Встроим одноразовым актом в С0 звезды гало (включим звезды) с примерно таким же пространственным распределением, что и вещество короны. Возникший ток протонов с поверхности звезд очень быстро - много быстрее 10
5 лет - понизит эффективный заряд короны в области гало в 104 - 106 раз, затем начнет снижаться по мере выхода границы Роша из под поверхности звезд и, наконец, понизится до уровня, обеспечиваемого звездным ветром.Будет ли заряд короны в зоне гало скомпенсирован полностью, или какой-то заряд останется - несущественно. Существенно другое: свяжутся ли протоны с телами короны, или большая их часть останется свободной, образуя протонный газ, вложенный в отрицательно заряженную корону. Последнее наиболее вероятно, поскольку после излучения протоны быстро приобретают ультрарелятивистскую энергию и с веществом короны взаимодействовать должны слабо.
Эта картина является всего лишь иллюстрацией процесса заполнения некоторого центрального объема короны протонным газом. В сущности, звезды для этого не нужны. Нужны любые источники ионизированных частиц, например, достаточно горячие протозвездные образования, и при том немногочисленные. Т.е. процесс заполнения центрального объема сверхгорячим протонным газом должен быть характерен для самой ранней юности Галактики (и прочих галактик).
Сразу после образования протонного газа, который мы отождествим с космическими частицами, распределение частиц по энергиям в нем имеет вид
dn ~ EdE
вплоть до энергии
» 1021эВ, так что средняя энергия на протон близка к этой величине, а полная энергия протонного газа - кE=QV”1052 Дж.
После образования протонного облака с зарядом, близким (или равным) заряду короны в его объеме, эта область короны уже не может удерживать протоны от разлетания, но если корона простирается достаточно далеко за пределы гало (или будущего гало), то ее периферическая часть будет играть роль отражающей стенки. Таким образом, протоны будут осциллировать в некотором конечном объеме, постепенно теряя энергию.
Если в объеме облака имеются магнитные поля, то основным механизмом диссипации может оказаться синхротронное излучение. Происхождение этих полей для нас несущественно, достаточно утверждения, что галактические магнитные поля существуют. Начальная мощность
P0 синхротронного излучения должна определяться энергией магнитных полей в объеме гало и затухать примерно с постоянной времени t = E/P0. Современное космическое излучение можно, по-видимому, рассматривать как реликт галактической юности, “остывший” до энергии 1010 эВ на протон. Частицы, образующие верхнюю часть энергетического спектра космики, вероятно, молодые, испущенные с далекой периферии гало.Обратим внимание на одно обстоятельство. В нашей модели периферия короны является, в сущности, стенкой сферического (во всяком случае, объемного) резонатора, заполненного заряженной ульртарелятивистской плазмой. В таком резонаторе с необходимостью должны возникать электромагнитные и акустические колебания протонного газа, следовательно, колебания его плотности. Через кулоновское
взаимодействие плотность протонного газа влияет на распределение плотности и скоростей движения вещества короны. Не исключено, поэтому, что процесс звездообразования не случаен, но протекает преимущественно по характерным линиям мод колебаний - узлам или пучностям стоячих волн. Более того, колебания в протонном облаке могут быть главной причиной интенсивного звездообразования. Таким образом, прослеживается возможная цепочка событий, приводящих к рождению галактики: внедрение светящего зародыша в неструктурированную скопление скрытых масс - частичная нейтрализация тел среды и формирование короны (влияние гравитационного поля такого источника может оказаться и не принципиальным) - появление в короне источников, пусть в небольшом количества и незначительной массы, протонов - образование высокоэнергичного протонного облака и возбуждение в нем стоячих волн - массивное звездообразование по характерным линиям мод.До сих пор мы ничего не говорили о другой стороне процесса формирования короны и протонного облака - о судьбе электронов, ранее связанных с протонами и нормально заряженными телами. Очевидно, что они выталкиваются полем короны в межгалактическое пространство, ускоряясь при этом до
той же, примерно, энергии, что и протоны - 1020 - 1021 эВ. Внутрь других галактик с коронами такими же или более мощными, чем у галактики-источника, они попасть не могут - будут отражены полем короны. Но броню более слабых корон должны прошивать, вкладывая более или менее значительную долю в состав туземного космического излучения. Для небольших галактик (точнее, галактик с небольшими коронами) почти вся высокоэнергичная компонента космического излучения может состоять из “свистящих” электронов внешнего происхождения.Очевидно, что
b-излучение галактик наиболее интенсивно в период формирования короны и внутреннего протонного облака. Сам процесс звездообразования, вероятно, идет в уже нейтрализованном (протонным облаком) веществе короны и существенного вклада в электронную эмиссию не вносит.При малой межгалактической плотности вещества основными механизмами диссипации энергии для электронных потоков могут быть
а. взаимодействие с коронами галактик - в виде тормозного излучения,
б. взаимодействие с внегалактическими магнитными полями - в виде синхротронного излучения,
в. взаимодействие с фотонами - в виде обратного комптоновского рассеяния.
Таким образом, рождение галактики должно сопровождаться интенсивным излучением от радио- до -диапазона из окрестностей юной галактики, если в этой окрестности уже имеются источники электростатических и магнитных полей и фотонов.
В вышеизложенном сценарии остается неясной одна принципиальная деталь - что за объект может служить тем “светочем”, вокруг которого формируется галактика?
Подчеркнем еще раз, что основной “зародышевой” характеристикой этого объекта должна быть не масса как таковая, но светимость и экспозиция, достаточные для того, чтобы вызвать заметную деионизацию фонового вещества в объеме с радиусом, сравнимым с 1020 - 1021 м (10
4 - 105 св.лет), и его испарение после периода начального сгущения. Т.е. объект этот должен быть и ярким и достаточно стабильным. Сверхновые и сверхзвезды на эту роль подходят плохо, не говоря уже о том, а откуда они, собственно, могут взяться? Тем более, в астрономических, ~1011, количествах.Наиболее вероятным кандидатом, повидимому, является гравитационная дыра, если не приписывать ей априорно свойства “черной”.
См. "Другая физика" С.Б. Кузьминых ГЛАВА 1 ГЛАВА 2 ГЛАВА 3
HOME СиЗиФ