Багфикс для астрономии, или галактические миражи

в 16:10, , рубрики: астрономия, Научно-популярное, физика

image

Нас всех окружают оптические иллюзии. Например, рельсы сходятся на горизонте, фактически оставаясь параллельными. Из-за перспективы вообще всё, что расположено ближе, кажется большим, чем оно есть на самом деле. Но никто же (кроме маленьких детей) не заявляет, что может взять в руку Солнце. Более того, наш мозг использует это оптическое явление для того, чтобы получать дополнительную информацию об окружающих объектах. Например, уточняя дальность до предмета, и его размеры, не приближаясь к нему слишком близко.

Однако данный принцип не сработал в галактической астрономии и там принято правило «что вижу, то и есть на самом деле». Хотя на самом видном месте, практически в самом начале словаря находится определение для «аберрации света звёзд». Например, в Большом Энциклопедическом словаре определение выглядит так:

3) Аберрация света в астрономии — изменение направления светового луча из-за движения источника и приемника света друг относительно друга. Аберрация света вызывает смещение видимого положения светила на небесной сфере.

Ну и что такого, ведь все эффекты аберрации уже учтены. Суточная, из-за вращения Земли вокруг своей оси, годовая, из-за вращения Земли вокруг Солнца, и вековая — из-за вращения Солнечной системы вокруг центра Галактики.

Нет, не все

Господа астрономы забыли, что галактики не являются точечными объектами. Например, Туманность Андромеды занимает на небосводе 3,2 градуса. Что больше углового размера Луны более чем в шесть раз. Но даже если угловой размер галактики составляет всего лишь секунды угловой дуги, её всё равно не стоит считать точечным источником света, и всё из-за аберрации.

Дело в том, что звёзды имеют собственное, и довольно значительное, движение в своих галактиках. Пусть проекция скорости некоторой звезды на картинную плоскость равна V. Тогда аберрация приведёт к отклонению изображения этой звезды на угол f, который может быть вычислен как tg f = — V / c. (Примечание: релятивистская формула несколько более громоздка, но для случая V << c, она приближённо даёт тот же результат с высокой точностью).

Например, для случая 300 км/с (что равно примерно 1/1000 от скорости света), мы получим величину 3,4 минуты дуги, и эта величина является постоянной и не зависит от расстояния до галактики. Если бы галактики находились в не расширяющемся евклидовом пространстве, то по мере увеличения дистанции, в полном соответствии с законами перспективы, их угловой размер бесконечно уменьшался бы, а аберрационные искажения, вызванные собственными движениями их звёзд, оставались неизменными.

Но, вместо того, чтобы принять к сведению эти факты, и признать изначально, что наблюдаемые форма и угловые размеры галактик существенно отличаются от истинных, а сами галактики находятся в пространстве с обычной метрикой, господа астрономы и астрофизики решили, что галактики устроены именно так, как они выглядят, а прочие эффекты объяснили космологическим расширением пространства. В результате имеем то, что имеем. Едва ли не каждый день астрономы вываливают на наши (и свои) головы кучу новых необычных открытий, настолько противоречащих друг другу и устоявшейся картине мира, что уже пора звать админа. Но ничего не происходит, и к кривому зданию налепляются очередные заплатки, подставляются то тут палка, то здесь шуруп — лишь бы не рухнуло. То придумают Тёмную Материю, то добавят Тёмной Энергии, и всё равно как-то не очень сходится.

Моделирование явления

Для того чтобы увидеть наглядно, какие именно аберрационные искажения мы сможем наблюдать в далёкой галактике, в зависимости от дистанции и угла наклона галактики к лучу зрения, я сделал простенькое приложение. Изначально предположим, что галактика имеет форму диска радиусом 100 тыс. св. лет (наша Галактика, кажется, поменьше, но это не существенно), и состоит из звёзд и парных звёздных систем, движущихся примерно в одной плоскости по круговым орбитам вокруг общего центра масс. При этом строго (так проще) соблюдая законы механики Ньютона, т.е. скорость каждой такой звёздной системы можно посчитать по формуле:

image

Чтобы не вводить в рассмотрение массу галактики, примем, что скорость для звезды на среднем расстоянии 50 тыс. св. лет от центра равна 100 км/c, воспользуемся более простой формулой V = 100 * sqrt(50000/R). Кроме того, учтём, что в двойных системах каждая компонента может иметь свою текущую скорость, но проекция этой скорости W на картинную плоскость имеет скорее случайное значение, ввиду неизвестной (и случайной) ориентации нормали к плоскости эклиптики этой системы, и множества других характеристик. Поэтому будем просто варьировать максимальное значение для скорости W.

Следствия

В результате, мы получим первые следствия. Во-первых, диск из звёзд, изначально не имеющий никаких особенностей, приобретает форму спирали — если мы наблюдаем его под достаточно острым углом (менее 30 градусов к лучу зрения).

image

Причём, спираль эта имеет несколько меньшую приплюснутость, чем оригинальный эллипс (слева). В результате, вполне возможно, что спиральная галактика, кажущаяся повёрнутой к нам под прямым углом (так, что мы видим её плашмя), на самом деле имеет достаточно острый угол с лучом зрения до 30 градусов. Что приводит к иллюзии спиральных рукавов по причине аберрационного смещения даже в кажущейся расположенной к нам плашмя галактике.

Кстати, пара фактов. В различных источниках процентное количество спиральных галактик указывается различное. Достаточно долго, например, считалось, что таких около трети. Что хорошо согласовывается с углом 30 градусов, после которого спирали перестают наблюдаться. Второй момент: большинство оставшихся составляют эллиптические галактики. Но есть и здесь странность: эллиптических галактик с эксцентриситетом больше 0,7 не существует. В данной модели и эта странность хорошо объясняется тем, что слишком сплюснутые эллиптические галактики визуально выглядят как спиральные. А точнее, все галактики — дисковые, а их вид (спиральная или эллиптическая) зависит в основном от угла наклона, под которым мы на неё смотрим.

И еще пара фактов. Ближайшие спутники Млечного Пути, галактики Большое и Малое Магелланово Облако относят к спиральным класса S0. Т.е., у них все характеристики распределения вещества соответствуют спиральным галактикам, но вот только спирали в них почему-то не образовались. Ну как почему — эти галактики слишком близко расположены, влияние аберрации света звёзд слишком мало, чтобы начать своё «светлое» дело (ну не тёмное же, о тёмном чуть ниже).

Разумеется, данная простая модель очень грубая, и не учитывает множество параметров
Например, вполне возможно, что центральная часть галактики содержит настолько много газа, что при расчёте скорости вращения звёзд в этой области обязательно следует учитывать давление этого газа. Оно должно замедлять скорость движения, ограничивая её некоторым фиксированным (для галактики) значением. Так же, довольно трудно смоделировать пыль, заслоняющую видимые звёзды. Поэтому, модель получилась относящейся к идеально прозрачному галактическому диску. Что скорее всего, не совсем верно. Так же, объекты изначально всегда занимали 1 пиксель (принимались за точечные), что приводило к сильному «распылению» визуально «выброшенного» вещества. Для уточнения картинки пришлось отображать отрезки вместо точек. И, скорее всего, это ещё не все уточнения, которые следует принять во внимание.
Последствия бага

Теперь перейдём к самой больной теме. Это ужасно, но не учёт аберрации света звёзд в далёких галактиках привёл науку к неверным выводам о распределении вещества. Дело в том, что спиральность — это не единственная, и даже не основная иллюзия, вызываемая эффектом аберрации. Самое важное то, что в наблюдаемой картинке внутренняя часть галактики в значительной степени «выплеснулась» во внешние её области.

image
На рисунке приведена кривая вращения типичной спиральной галактики: предсказанная (A) и наблюдаемая (B)

Скорости движения вещества, измеренные для внешних слоёв галактики, относятся, как оказалось, к её внутренней части. В результате, астрономы получили проблему кривой вращения: галактики вращаются как твердотельные тарелки, а почему — никто не может объяснить. Что только не предлагали, но в итоге стали искать Тёмную Материю. И так понравилась идея, что теперь этой ТМ затыкают все дыры в астрофизике, физике, астрономии, какие только найдут. Затупилась бритва дядюшки Оккама.

Вторая по значимости проблема, это несоответствие углового размера галактик их красному смещению. Если красное смещение принято считать усреднённой характеристикой расстояния до галактик, то наблюдаемые угловые размеры этому расстоянию соответствуют совершенно нелинейно. Что, разумеется, не может происходить в Евклидовом пространстве. Но, вместо того, чтобы поискать решение в оптических явлениях, господа астрофизики привлекли космологию. И как удачно получилось: заодно и дополнительное подтверждение для расширяющейся после Большого Взрыва Вселенной получили.

image
Изображение получено с ресурса: http://www.astronet.ru/db/msg/1166765/node31.html. Представляет график видимого углового размера галактики диаметром 10 кпк (тэта) в зависимости от красного смещения z для разных космологических моделей.

Ко этим двум основным проблемам, возникающим из-за недооценённости эффекта аберрации, я бы добавил до кучи:

  1. проблему звёзд-изгоев и карликовых галактик — изгнанников (их могло визуально «выкинуть», а в действительности они летят где и летели — вблизи центра родной галактики),
  2. гравитационное линзирование, которое на поверку может оказаться аберрационным искажением,
  3. всевозможные оптические эффекты для быстро движущихся объектов (как дополнительные двойные кольца при взрыве сверхновой 1987A, см. ниже фотографию).
  4. аберрационные искажения происходят не только для видимого света, но и для любых других диапазонов электромагнитного излучения, что может приводить к искажению картинки и гамма-диапазоне, и в для радиоволн.

image

Открываем тикет

И кто знает, что еще там можно накопать. Но для начала придётся:

  1. Отказаться от антинаучного бреда под названием «Тёмная Материя» — она была придумана первоначально для объяснения твердотельного вращения галактик.
  2. Отвергнуть космологические модели, приводящие к увеличению видимого размера галактик на больших расстояниях.
  3. Научиться оптические искажения использовать для получения дополнительной информации и уточнить картину мира.

В заключение, хотелось бы напомнить господам астрономам, что именно их наука имеет замечательные традиции по игнорированию всех неугодных альтернативных фактов. Достаточно вспомнить знаменитое «камни с неба не падают». Не хотелось бы, чтобы повторилась история с небесными камнями и в отношении столь странно забытого эффекта галактической аберрации.

Да, и теперь вы тоже знаете, что всё небо усеяно миражами. Спиральные и эллиптические, а теперь ещё и пушистые, или сверх-рассеянные галактики — это оптическая иллюзия. Но она может быть полезна, если знать, что это всего лишь оптический эффект. Не надо брать Солнце в руки. Пора взрослеть.

Автор: v1kladov

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля