Шлёнов А.Г.

ЗАКОН Всемирного излучения

© 2002

Международный клуб ученых

The cosmological equation of Unify Field Theory is considered.

 

Известно, что в основу разных систем мира были положены некоторые принципиальные положения, приводящие к существенно отличающимся между собой представлениям о свойствах Вселенной и о происходящих в ней процессах (табл.1).

Таблица 1.

Идеи, положенные в основу разных систем мира.

 

В то же время любая научная система мира носит обобщающий характер и использует те или иные достижения ранее созданных систем. Так, в 4-й системе используются и закон всемирного тяготения и многие другие результаты. В 6-й системе используются и закон всемирного тяготения, и уравнения гравитационного поля Гильберта – Гроссмана –Эйнштейна, но только в таком их виде, в каком эти уравнения согласуются с данными наблюдений, а не ведут к теориям большого Взрыва, Большой Остановки, большого Хруста, гравитационных волн, лысых и мохнатых черных дыр и т.п. Целью теории единого поля [8] является такое разрешение парадоксов классической космологии (фотометрического Шезо – Ольберса, термодинамического Клаузиуса – Кельвина, гравитационного Неймана – Зеелигера), которое не ведет к нарушению двух космологических принципов, принципа актуализма, основных законов сохранения, как это имеет место в теориях рождения и гибели Вселенной. Одним из принципиальных положений теории единого поля является

Закон всемирного излучения. Вещество поглощает энергию в виде продольных фотонов де Бройля пропорционально массе, Р=ε`m. В частности электрон на 1-боровской орбите в атоме водорода поглощает за 1 период (т.е. в данном случае на длине волны де Бройля) энергию hH, равную энергии продольного фотона де Бройля, где h, Н – постоянные Планка и Хаббла. В то же время вещество излучает (а отчасти и поглощает) энергию в виде фотонов (и нейтрино), L= εm. Количественно энергообмен связан с химической эволюцией. Так, при преобладании энерговыделяющих реакций светимость L > P и ε > ε`. В случае энергопоглощающих реакций L < P и ε < ε`. Наконец, в не менее важном промежуточном случае L ≈ P и ε ≈ ε` по порядку величины. Круговые процессы энергообмена замыкаются в «свободном» пространстве, где на каждом отрезке, равном длине волны де Бройля, фотоны и нейтрино теряют энергию, равную энергии продольного фотона де Бройля.

Это объясняет закон красных смещений (Z) и дает для космологического красного смещения Хаббла Z_k точное математическое соотношение:

              (1)

где λ, λ_о – наблюдаемая и лабораторная длина волны в спектре внегалактического объекта, Z_c – скоростное смещение Доплера, Z_гр - гравитационное смещение Эйнштейна, t – время движения фотона (или нейтрино), r – расстояние, R – радиус гравитационного взаимодействия.

Использование в формулировке закона всемирного излучения наиболее простых предположений в духе квантовой электродинамики де Бройля позволяет построить однозначную количественную теорию, в которой центральное место занимает постоянная тонкой структуры 1/137.0359895, а свободные параметры не нужны.

Опубликованные в течение 20-го века каталоги содержат характеристики миллионов космических объектов: звезд разных классов светимости и многих спектральных классов, звездных скоплений, других галактических объектов; галактик, групп и скоплений галактик, квазаров и других внегалактических объектов. Современные и перспективные методы и средства наблюдений открывают возможности обнаружения многих миллиардов объектов, причем общим свойством всех галактических, всех внегалактических объектов и, как будет показано, межгалактического вещества является излучение энергии, характеризуемое светимостью:

L=εm,                                                                                                                    (2)

где m – масса объекта либо масса диффузного вещества в некотором объеме, ε – мощность, излучаемая единицей массы.

Сопоставление светимостей L с расчетными значениями мощностей Р, поглощаемых массами в виде продольных фотонов [8]

Р=ε`m,  ε`=0.07476 эрг г^-1 с^-1                                                                             (3)

позволяет разделить все нормальные объекты, имеющие тепловые спектры излучения, на несколько характерных групп.

1. Случаи ε > ε`, связанные в основном с преобладанием энерговыделяющих ядерных реакций синтеза из водорода ядер гелия и других элементов вплоть до группы железного пика в таких объектах как:

·   новые и сверхновые разных типов,

·   сверхгигантские звезды (класс светимости I),

·   яркие гиганты (II),

·   гиганты (III),

·   наибольшая часть субгигантов (IV),

·   более массивные звезды главной последовательности, например, Солнце, спектр. класс G2V (класс светимости V),

·   наиболее массивные субкарлики (VI),

·   неостывшие нейтронные звезды,

·   рассеянные звездные скопления, звездные облака, ассоциации,

·   многие шаровые звездные скопления,

·   спиральные галактики S, SB и неправильные типа Ir I,

·   многие группы галактик.

2. Случаи ε < ε`, связанные в основном с преобладанием энергопоглощающих ядерных реакций синтеза в железо-никелевых ядрах космических тел из железа и из никеля ядер урана, тория и других элементов, продукты распада которых формируют оболочки этих тел (например, гидросферу, литосферу и отчасти мантию Земли) в таких объектах как:

·         планеты,

·   менее массивные, но наиболее многочисленные звезды главной последовательности спектральных классов МV,

·   многие субкарлики,

·   небольшая часть субгигантов,

·   эллиптические галактики Е, dЕ,

·   линзовидные галактики SO,

·   многие группы галактик.

3. Случаи равенства по порядку величины ε ≈ ε` у таких объектов как:

·   звезды на границах между соответствующими частями главной последовательности, последовательностей субгигантов и субкарликов,

·   остывшие нейтронные звезды,

·   белые карлики в целом (класс светимости VII),

·   многие шаровые скопления,

·   галактики в целом,

·   скопления галактик в целом,

·   межгалактическое вещество, дающее 99% вклада в среднюю плотность вещества ρ_ср=0.873∙10^-29 г/см³ в Метагалактике и Вселенной [8].

Поразительные результаты дает особое выделение случаев 4 и 5, которые будут рассмотрены ниже. Излучающая поверхность у нормальных объектов примерно сферическая или сфероидальная, а у активных объектов, например, квазаров, имеющих синхротронный спектр, примерно цилиндрическая, см [8], 2-е изд. стр.113. Как в тех, так и в других случаях плотность энергии собственного излучения на внешней поверхности радиуса R_* (или в объеме радиуса R в случае межгалактического вещества и Метагалактики) может  быть представлена  в виде:

                                                                                                 (4)

где ρ_* - массовая плотность вещества.

Здесь опущен безразмерный сомножитель, зависящий от особенностей диаграммы направленности излучения, от формы поверхности, от соотношения между излучением и поглощением, но всегда равный по порядку величины единице.  в пределах от наиболее массивных и компактных нейтронных звезд до Метагалактики охватывает диапазон более чем в 22 порядка, ρ_* диапазон в 45 порядков. Но наибольший интерес представляют крупномасштабные космические системы в диапазоне от шаровых скоплений до наиболее богатых скоплений галактик, массы которых m_g лежат в пределах от 10³⁷ до 10⁴⁸ г, а светимости L_g от 10³⁷ до 10⁴⁷ эрг/с. Полученное для них более конкретное  соотношение оказывается применимым и к межгалактическому пространству, к Метагалактике и Вселенной в целом и может быть названо космологическим уравнением.

4. Рассмотрим скопление галактик g1, галактику g2 в составе этого скопления, шаровое скопление g3 в составе галактики g2 и галактику поля g4. Энергетическая граница каждого из этих объектов определяется соотношениями: E_g1≈E_F, E_g2≈E_g1+E_F≈2E_F, E_g3≈E_g2+E_F≈3E_F, E_g4≈E_F, где E_F – плотность энергии микроволнового фонового излучения, МФИ. Пренебрегая пока полученными различиями, в частности более интенсивным энергообменом у шаровых скоплений, можно получить универсальное космологическое уравнение, характеризующее энергетику крупномасштабной системы g:

                                                             (5)

Отсюда нетрудно вывести ряд теоретических соотношений: m_g – R_g, m_g – ρ_g, m_g – L_g, m_g –ε_g, R_g - ρ_g, L_g – R_g, R_g – ε_g, L_g – ρ_g, ρ_g - ε_g, L_g- ε_g,         m_B - Θ,…,

где  m_B -  видимая звездная величина в фильтре В (или фотографическая), Θ – угловой размер в секундах дуги. Например, теоретическое соотношение m_B – Θ получено нами в виде:

m_B/5+lgΘ=4.66.                                                                                                   (6)

И это, и другие теоретические соотношения согласуются с эмпирическими, причем наиболее показательны те случаи, когда поправки в результаты наблюдений (например, за межзвездное поглощение для шаровых скоплений нашей Галактики) были внесены самими астрономами, поскольку именно учет межзвездного поглощения представляет собой почти непреодолимую трудность для неспециалиста. Например, в результате внесения всех необходимых поправок в данные наблюдений шаровых скоплений нашей Галактики Вилкенс получил соотношение [9]

m_B/5+lgΘ=4.82.                                                                                                   (7)

Аналогичное соотношение по данным 2775 близких галактик до 13-й звездной величины из каталога Шепли и Эймс [10], где можно было уже не вносить поправки, имеет вид:

m_B/5+lgΘ=4.83.                                                                                                   (8)

Более детальные результаты получил Хаббл [11] для 15 типов галактик своей классификации, также относительно близких и не требующих внесения К-поправки за красное смещение. Хаббл работал на крупнейшем рефлекторе своего времени с малыми экспозициями, что позволило ему получить огромный наблюдательный материал. Но в результате этого угловые размеры и правые части в соотношениях Хаббла оказались систематически заниженными, требующими корректировки (табл.2)

Таблица 2.

Значения правых частей по данным Хаббла [11] и после корректировки.

 

В эти же пределы попадают значения, выводимые из диаграмм Арпа диаметр 2R_g – абсолютная звездная величина М_В. Это подтверждает положенное в основу космологического уравнения (5) предположение, что энергетические границы крупных систем совпадают с их наблюдаемыми границами.

5. Интегральные характеристики процессов энергообмена в межгалактическом пространстве можно было бы вывести из закона сохранения энергии, а более детально из вириальных соотношений

                                                                     (9)

что, с учетом сохранения планковского спектра МФИ, дает:

                                              (10)

где Е_м – плотность энергии космического магнитного  поля при расчетном ср. кв. значении скорости волн Альвена E_kin - плотность кинетической энергии, ε_ср=0.0942 эрг г^-1с^-1 – средняя мощность, излучаемая единицей массы в виде фотонов (со средней энергией  2.17∙10^-15 эрг) микроволнового диапазона, ε_ср – ε’=0.0194 эрг г^-1с^-1 - средняя мощность, поглощаемая единицей массы в виде радиофотонов со средней энергией 0.45∙10^-15 эрг. Таким образом, на каждый поглощенный радиофотон приходится один излученный более энергичный фотон, что соответствует условиям упругого рассеяния радиофотонов на частичках вещества.

При этом возникает почти неразрешимая загадка темного вещества, обеспечивающего прозрачность межгалактического пространства во всех диапазонах, за исключением радиочастотного, о чем свидетельствует так называемый инфракрасный «избыток» в спектрах далеких квазаров. В принципе это вещество могло бы находиться в виде:

1.        малых космических тел (астероидов),

2.        крупных планет типа Земли и планет – гигантов,

3.        комет и метеорного вещества,

4.        маломассовых звезд,

5.        звездных скоплений,

6.        газо-пылевых комплексов,

7.        «кирпичей»,

8.        водородных «льдинок»,

9.        нейтрального газа,

10.     плазмы, т.е. полностью ионизированного вещества,

11.     частично ионизированного газа,

12.     различных комбинаций перечисленного и.т.д.

Но ни одна из этих моделей не дает приемлемых результатов, за исключением 11-й (а также, может, быть, комбинаций, которые пока не рассматривались). В рамках 11-й модели наиболее просто предположить, что вещество состоит из водорода и азота 14 с соотношением между ними, наиболее надежно определенным для Солнца [12] и с известными потенциалами ионизации [13], которые показывают, что водород полностью ионизирован (при этом концентрации n_p=n_e=ρ_cp/m_p=5.2∙10^-6 см^-3), а азот частично ионизирован и имеет сверхтонкую структуру уровней энергии, обеспечивающую поглощение радиофотонов, излучение более энергичных микроволновых фотонов и подзараядку, т.е. переход  с нижних уровней на средние при близких прохождениях иона с протоном или электроном. Получив наконец хотя бы одну недетализованную модель темного вещества, согласующуюся с исходными вириальными соотношениями, объясняющую механизм поддержания планковского спектра МФИ, прозрачность межгалактического пространства и инфракрасный «избыток» в спектрах далеких радиоквазаров, можно уже в более компактном виде сформулировать

Закон всемирного излучения. Необратимы все элементарные микропроцессы (в том числе и прямолинейные неограниченные, и замкнутые ограниченные движения микрообъектов), что сочетается с круговым характером преобразований энергии и вещества (химическая эволюция) в крупных масштабах пространства (порядка R=c/H и более)  и времени (порядка t_Н=1/H и более).

Автор выражает признательность профессору А.П. Смирнову за поддержку его усилий и инженеру Н.Е. Семёновой за помощь при подготовке данной работы к печати.

Литература

1.        Колчинский И.Г., Корсунь А.А., Родригес М.Г. Астрономы. Биографический справочник. 2-е изд. Киев. Наукова Думка. 1986. с.22-23, 89-90,      264-265.

2.        Ньютон Исаак. Математические начала натуральной философии. (перевод: Собр. труд. акад. А.Н. Крылова. т.7. М. 1936).

3.        Астрономы. Биографический справочник. 1986. с.50.

4.        Charlier C.V.L. Arkiv for Mat., Astron. och Fys. 1908. 4. P. l.

5.        Charlier C.V.L. Arkiv for Mat., Astron. och Fys. 1922. 16. P. l.

6.        Hilbert D. Gőttingen Nachrichten. 1915. Bd. 3. S. 395.

7.        Einstein A. and Infeld L. The Evolution of Physics. New York. Simon and Schuster. 1938.

8.        Шлёнов А.Г. Микромир, Вселенная, Жизнь. 1-е изд. Под ред. проф. В.И. Почтарёва. СПб. 1995; 2-е изд. Под ред. проф. А.К. Колесова. СПб. 1998.

9.        Wilkens H. The Diameters of Globular Glusters // The Variable Stars. 1976.  Supplement. V.2. No. 12. P. 393-462.

10.     Shapley H. аnd Ames A. Annals of the Аstr. Оbs. of Harvard College. 1932. V.88. Part 2. P. 43-75.

11.     Hubble E. The Realm of the Nebulae. Oxford University Press. 1936.

12.     Ross J.E. and Aller L.H. Science. 1976. V.191. P.1223.

13.     Радциг А.А., Шустряков В.М. Ионизация атомов и молекул. В книге: Физические величины. Справочник. Под. ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова. М. Энергоатомиздат. 1991. с.411-430.