Да, этому открытию в декабре 2024 года исполняется четверть века. 25 лет в жизни человека - это большой срок, а в истории человечества - это только миг. Началось всё с того, что я задался вопросом: превратится ли вращающееся тело в процессе его коллапса (сжатия гравитационной силой) в сингулярность (в точку)? И вот к какому выводу пришёл: вращающееся тело в процессе его гравитационного коллапса никогда не сожмётся до сингулярности. Существующее мнение о том, что гравитационный коллапс тела нельзя остановить, поскольку в природе нет сил противодействующих силе гравитации, ошибочно. Такая сила есть - это центробежная сила. Правда вывод этот касается только тел вращения, но поскольку не вращающихся тел в природе не существует, то вывод справедлив для всех тел нашего мира. Почему центробежная сила способна остановить гравитационный коллапс тел? Потому что при коллапсе вращающегося тела, центробежная сила нарастает (увеличивается) в 8 раз быстрее, чем возрастает гравитационная сила при сжатии тела (расчёт будет дан ниже). И в какой-то определённый момент произойдёт остановка сжатия, как бы долго и до какого-то предела не происходило сжатие.
Само же открытие можно сформулировать так: звёздные системы и газовые скопления галактики движутся по незамкнутым, спиральным траекториям вокруг центра галактики. А это означает, что объём галактики, который они занимают в пространстве, в процессе её эволюции, не может быть постоянным, В процессе эволюции галактики могут находится либо в фазе расширения, либо в фазе сжатия.
Это открытие позволяет правильно объяснить такие странные явления, которые наблюдаются в галактиках, а именно: сохранение узора (рисунка) спиральных галактик на протяжении длительного периода их существования (который должен был исчезнуть при нескольких оборотах звезд вокруг центра галактики), и скоростная характеристика у звезд, несоответствующая гравитационному взаимодействию между ними (что привело к введению темной материи для объяснения этого несоответствия), а также ряда других парадоксов. Об этом всём будет описано в следующих статьях, которые будут доказательствами правильности данного открытия. А пока покажу, каким образом зарождаются галактики, и по каким законам движутся звёздные системы в галактиках, после их образования.
Процесс зарождения галактики лучше понять, начав рассуждение, с стадии сжатия спиральной галактики. Процесс расширения галактики не может продолжаться бесконечно долго, так как, полученная галактикой энергия для расширения, расходуется на преодоление силы гравитации. Когда эта энергия заканчивается, галактика переходит в стадию сжатия. Начинается движение звездных систем и газовых скоплений к центру галактики. Движение это направлено не радиально к центру, а вдоль спиральных рукавов, за счёт того, что в этом направлении действуют бОльшие гравитационные силы, чем гравитационные силы в направлении центра галактики. На стадии сжатия у спиральной галактики сохранится тот же узор (рисунок), каков был на стадии расширения.
И так все тела галактики, перемещаясь к центру галактики по спиральным траекториям, в конечном итоге сольются в один общий поток, при этом звезды и большие газовые планеты, скорее всего разрушатся от столкновения друг с другом, образуя газопылевую смесь, В процессе дальнейшего сжатия газопылевой смеси галактики, она примет форму кольца (тора), и дальше продолжится сжатие этого кольца. Забегая вперед, скажу, что это утверждение подтверждается наличием во Вселенной таких форм галактик, как объект Хоага, показанный выше на вкладке статьи.
Рассмотрим подробнее процесс сжатия вещества в форме тора (кольца). Для этого выделим из объёма кольца малый объём, заключенный между двумя поперечными сечениями кольца, отстоящими на малом расстоянии друг от друга. Приближённо такой объём будет в форме цилиндра с небольшой высотой и с основанием равным площади нашего поперечного сечения кольца. В таком цилиндре выделим 4 малых элемента равные по высоте, по площади их основания - S и по массе - m, как показано на следующем рисунке:
Силы, действующие на выделенные 4 элемента поперечного сечения кольца, показаны на рисунке, из которого видно, что на два элемента, расположенных в плоскости вращения кольца (элементы 1 и 3), действуют силы, сумма которых различна. Если на элемент 3, расположенный ближе к оси вращения кольца, действуют сила тяготения и центробежная сила, совпадающие по направлению, то на противоположный элемент 1, эти силы действуют в противоположных направлениях. Величины силы давления, действующие на все элементы, равны по значению, поскольку элементы выбраны с одинаковой площадью основания и малой высотой.
В процессе сжатия кольца при достижении какого-то определенного значения величины давления газопылевой смеси, может наступить равенство противоположно действующих сил на элемент 1, расположенный в наиболее удалённой наружной поверхности кольца, где диаметр кольца максимален. Это условие равенства сил можно записать следующим уравнением:
Fт – Fцб – PдS = 0 (1), или GMm/r^2 - mV^2/R - PдS = 0 (1)
где: r – радиус поперечного сечения кольца;
R – радиус вращения наиболее удалённой части кольца.
На элемент, расположенный с внутренней стороны кольца (наименее удалённый от оси вращения), где диаметр кольца минимален (элемент 3), равновесие сил, действующих в радиальном направлении, наступит при условии:
Fт + Fцб - Pд = 0 (2) , или GMm/r^2 + mV^2/R-2r - PдS = 0 (2)
Два элемента, расположенных в плоскости перпендикулярной плоскости вращения кольца (элементы 2 и 4 на рисунке), не столь важны для дальнейшего исследования, и на этих элементах никогда не наступит условие равновесия сил, поскольку равнодействующая сил Fцб и Pд не находится на одной прямой с силой Fт. Но все же запишем уравнение действующих сил и для этих элементов, которое будет равно произвольному числу N:
Fт - [(Fцб^2 + (PдS)^2]^0,5 = N ( 3)
И так, основной вывод вышеприведенного исследования: в процессе гравитационного сжатия вращающегося объекта, когда он достигает форму кольца (тора), результирующая сила, действующая на различные участки кольца, различна. Причём самая слабая результирующая сила действует в районе кольца, наиболее удалённом от оси вращения кольца (где расположен элемент 1). Назовём эту зону "слабым" местом кольца. Эта зона располагается по всей окружности кольца с наибольшим диаметром кольца. Её длина - длина этой окружности, а ширину зона не имеет. Самая сильная результирующая сила действует в районе кольца, наименее удалённом от оси вращения кольца (где выбран элемент 3). Назовём эту зону "сильным" местом кольца. Эта зона также располагается по всей окружности кольца с наименьшим диаметром кольца.
Может ли центробежная сила превысить гравитационную силу при сжатии вращающегося объекта в виде кольца? Ответ на этот вопрос: может. Даю пояснение. Пусть в процессе сжатия кольцо радиусом R уменьшилось в два раза и стало радиусом R/2.
Момент инерции кольца в начальный момент: J = m R^2
Момент инерции кольца после сжатия до радиуса в 2 раза меньше:
Значит центробежная сила возрастёт в 8 раз при сжатии кольца до размера в два раза меньшего от первоначального радиуса кольца. По закону гравитации Ньютона, сила гравитации возрастает обратно пропорционально квадрату уменьшения расстояния. То есть, в приведённом примере, сила гравитации возрастет всего лишь в 4 раза.
Таким образом, при гравитационном коллапсе вращающегося кольца (впрочем и вращающегося объекта любой формы) центробежная сила нарастает быстрее, чем сила гравитации, сжимающая объект. И даже одна сила центробежная (не считая других противостоящих сил гравитации - силы давления газа, и других сил), у вращающегося тела, способна остановить сжатие тел до сингулярности.
Таким образом равновесие сил при коллапсе кольца обязательно наступит, и первым это равновесие наступит на поверхности кольца наиболее удалённой от оси вращения кольца (где расположен элемент 1 на рисунке). Исходя из вышеприведенных уравнений (1), (2) и (3) равновесие сил на других участках поверхности кольца может произойти только после того, как наступит равновесие сил на участке поверхности, где расположен элемент 1. Благодаря этому условию, разрыв кольца и извержение из него газопылевой смеси происходит только в определённом месте кольца, из-за чего образуется определённый узор будущей галактики. Достаточно совсем небольшой силы подействовать в слабом месте кольца (где расположен элемент 1), например, от прецессионного движения кольца и произойдет разрыв в этом месте кольца. Так при вращательном и прецессионном движении кольца, дополнительная сила от прецессии будет приложена к кольцу в двух взаимно противоположных точках "слабого" места кольца, поэтому в этих местах и наступит разрыв поверхности кольца, и произойдет извержение газа с образованием следующей газовой структуры, а впоследствии с образованием спиральной галактики. У всех спиральных галактик только две ветви, начинающиеся с диаметрально противоположных мест. И нет ни одной спиральной галактики, у которой было бы три или четыре ветви, начинающиеся с центра галактики, и это не спроста. Покажу это на следующем рисунке, как происходит зарождение спиральной галактики:
А - вид сверху. Б - вид сбоку.
Для того чтобы объект вращения распался с возникновением новой системы, недостаточно только разрыва его в каком-то месте. Для полного распада с возникновением новой системы необходимо ещё одно обязательное условие: в момент извержения газопылевой смеси, её скорость должна быть выше скорости убегания (второй космической скорости) для объекта с массой в момент начала его распада. Эта скорость рассчитывается по известной формуле:
V = (2GM/R)^0,5
В случае равновесия сил (уравнение 1), а также в случае сообщения низвергающемуся газу только первой космической скорости, высвободившийся газ сможет покинуть объект, но движение его по круговым, замкнутым орбитам, создаст такой же тор, только выше (далее) первого тора, который вновь станет коллапсировать (сжиматься), и так до бесконечности будет повторяться процесс. Поэтому для распада с возникновением новой системы необходимо условие одно: чтобы скорость газопылевой смеси при извержении из тора была выше второй космической скорости для объекта с массой галактики и в соответствии с размером (радиусом) объекта в момент его распада. Только при таком условии низвергающийся газ покинет область распада объекта, проложив движение по спиральным, незамкнутым траекториям, постепенно, продолжая расширение.
Для начала попробуем оценить вклад давления газа, которое образуется во время коллапса кольца перед его распадом, в скорость вещества распада. Этот вклад давления был проведен на основании исследования многих узоров галактик, диск которых виден сверху, или, как говорят, видимых «плашмя». Исследование это поясню на узоре следующей спиральной галактики:
На узоре выбирается участок ярко выраженной спирали. Из центра галактики проводится одна линия до пересечения с этой выбранной частью спирали, а другая линия проводится из центра под углом 90 градусов к первой линии до места пересечения её с выбранной частью спирали. Далее измеряются оба отрезка. Малый отрезок принимаем за единицу (это будет масштаб нашего измерения). Разница между отрезками делится на длину малого отрезка (для вычисления его в принятом нами масштабе). Получаем величину пути, пройденному распавшимся веществом в радиальном направлении, в принятом нами масштабе : z
Теперь можно составить пропорцию, исходя из того, что за время поворота объекта вращения (кольца) на 90 градусов, его произвольная точка окружности с максимальным диаметром преодолела расстояние: 2*3,14*R/4 , или в принятой системе измерения это расстояние равно: 2*3,14*1/4 = 2*3,14/4 . За это время низвергающая газопылевая смесь преодолела в радиальном направлении расстояние, определенное выше - z . Можно считать, что отношение пройденных путей равно отношению скоростей (при равномерном движении это отношение строго равно). При малом угле поворота объекта распада (кольца) радиальная скорость выброса вещества могла почти не измениться.
Тогда можем записать соотношение: Vp/Vл = 4z/2*3,14 = 2z/3,14.
Для данной галактики были произведены следующие измерения, и получены следующие данные: R = 29 мм, ОА = 53 мм
При этих данных z = (53 - 29)/29 = 0,83 а Vp/Vл = 2*0,83/3,14 =0,53
То есть Vр = 0,53Vл
У других спиральных галактик это минимальное соотношение составляет в среднем около: Vр = 0,2Vл. Но наибольшее соотношение скоростей линейной и радиальной у кольцевых галактик. Так у галактики, изображённой на заставке в начале статьи, известной как объект Хоага, это соотношение составляет около: Vр = 0,94Vл.
Если учесть, что линейная скорость вращения кольца к моменту его распада достигает очень огромного значения (примерное значение линейной скорости распада будет определено далее), то радиальная скорость распада сопоставима по значению с линейной скоростью вращения объекта, и также должна достигать громадной величины. А в случае образования кольцевых галактик эти скорости будут почти равны. Поэтому давление газа, создаваемое при коллапсе, к моменту распада объекта вращения, оказывает существенное значение (если не определяющее) на процесс распада, и им нельзя пренебрегать. Это давление должно достигать очень значительных величин. Без давления газа в объекте (кольце), не возможен его полный, вернее существенный, распад. Поэтому только однозначный ответ следует на вопрос о состоянии вещества в кольце перед его распадом – это в основе газ с находящимися в нём твёрдыми телами. Если в будущем доля газа в галактиках уменьшится по мере превращения газа в твёрдые элементы в термоядерных реакциях, протекающих в звёздах, то распад галактик при окончательной фазе сжатия может прекратиться.
Процесс извержения газа из кольца при зарождении галактики протекает стремительно. Так у спиральных галактик ветви закручены всего на 1,5 - 2 оборота. То есть за 1,5 - 2 оборота кольца должен извергнуться почти весь сжатый газ, содержащийся в кольце перед его распадом. Учитывая огромную линейную скорость вращения кольца перед его распадом, время для распада получается очень ограниченным, и извержение газа должно быть интенсивным. Чем же достигается интенсивное извержение газа при распаде кольца? Ещё раз посмотрим на рисунок, приведённый в начальной части статьи. Поверхность "стенок" кольца (слово "стенки" взято в кавычки потому, что как таковых их нет в коллапсирующем кольце, как, к примеру, у баллона с сжатым газом), где отмечены элементы 2, 3 и 4, не будет разрушена к моменту разрушения поверхности кольца в районе "слабого" места (где элемент 1), и на эту часть поверхности кольца действуют силы, сумма которых ещё не равна нулю, и там продолжается сжатие кольца, даже когда в «слабом» месте кольца остановится сжатие. Поэтому эти поверхности ("стенки") кольца при извержении будут стремительно быстро смещаться в направлении к месту извержения газа при прорыве, этим помогая выталкивать газ по местам его прорыва в "слабом" месте. Процесс распада, таким образом, идёт ещё и по принципу действия поршневого насоса. Причем очень эффективного насоса, так как сила тяготения и центробежная сила к моменту распада по величине достигают громадных величин, за счёт которых и происходит выталкивание газа.
Благодаря процессу выталкивания газа неразорвавшимися "стенками" кольца, давление газа в кольце, при извержении газа, не падает, что позволяет осуществить быстрый процесс извержения почти всего газа из кольца с большой радиальной скоростью выброса газопылевой смеси. Так в реальности громадная масса вещества, составляющая в кольце массу всей галактики, выбрасывается при распаде очень быстро, и за время распада объект вращения успевает повернуться всего лишь на 1,5 – 2 оборота, образуя спиральную галактику! А при других видах распада, о которых будет описано далее, за время распада объект вращения (кольцо) успевает повернуться лишь на угол не более 30 градусов.
И так почти вся газопылевая смесь изверглась из кольца (почему совсем малая часть газопылевой смеси не покинула объект распада, это отдельный разговор), теперь её не может удержать за счет силы гравитации малая, оставшаяся на месте кольца, часть газопылевой смеси (из которой, кстати, и образуется сверхмассивная черная дыра в центре галактики, а не по причине, которая сейчас озвучивается астрофизиками)), и извергшийся газ продолжит своё движение по спиральным траекториям, удаляясь от места его извержения. А спиральные его траектории образовались от того, что извергаясь он получил радиальную скорость, а линейную скорость за счет действующей на него силы гравитации со стороны противоположной газовой ветви извержения. И при таком движении газопылевая смесь движется при неуравновешенных силах гравитации и центробежных. В дальнейшем из газопылевой смеси в галактике образуются звезды и планеты, а часть газа останется в скоплениях. Звезды и скопления газа продолжат такое же движение, а планеты, захваченные силой притяжения звезд, продолжат движение по орбитам вокруг звезд. Из описанного следует следующий закон:
Первый закон движения звёздных систем в галактиках следует из условия распада объекта вращения и гласит:
Звёздные системы в галактиках движутся при неуравновешенных силах тяготения и центробежных.
Кинетическая энергия, которой обладала газопылевая смесь после полного распада объекта вращения (кольца), в процессе движения и расширения газа, не сможет оставаться постоянной, постепенно уменьшаясь на преодоление сил гравитации, и переходя в потенциальную энергию расширяющейся системы. Тогда согласно, теоремы вириалы, можно записать:
V^2 = GM/R и V1^2 = GM/R1, откуда получаем:
V^2/V1^2 = R1/R
Обозначим через n = R1/R масштабный коэффициент, показатель увеличения линейных размеров расширяющейся системы. Тогда:
V1^2 = V^2/n или V1 = V/n^0,5 (1)
Выражение (1) представляет второй закон движения звёздных систем в галактиках. Его можно сформулировать следующим образом:
Квадрат скорости движения звездных систем в галактике уменьшается пропорционально увеличению линейных размеров расширяющейся системы.
И, наоборот, при сжатии галактики квадрат скорости движения звездных систем возрастает пропорционально уменьшению линейных размеров.
Зная, что V = wR, формулу (1) можно записать по другому:
w1^2 = w^2/n^3
Используя второй закон движения звёздных систем в галактиках, определим соотношение сил тяготения и мгновенной центробежной, действующих на произвольно взятую звёздную систему, когда она находилась на расстоянии R от центра распада. А затем, для случая, когда она находилась на расстоянии 2R от центра распада. В этом случае масштабный коэффициент будет: n = 2R/R = 2.
Когда звёздная система находилась на расстоянии R от центра галактики, её линейная скорость вращения составляла: V, а значения центробежной силы и силы тяготения запишутся соответственно:
Fцб = mV^2/R и Fт = GMm/R^2
Соответственно при нахождении звёздной системы на расстоянии 2R от центра галактики её линейная скорость вращения будет согласно формулы(1):
V1^2 = V^2/2
А значение центробежной силы составит: Fцб1 = mV1^2/R1 = mV^2/2*2R = =mV^2/4R
То есть значение центробежной силы уменьшится в 4 раза в сравнении с начальным положением системы. Но и сила тяготения, действующая на звёздную систему при этом расширении, уменьшится также в 4 раза при постоянной массе галактики, согласно закону Ньютона:
Fт = GMm/(2R)^2 = GMm/4R^2
Такой же расчет проводим при расширении галактики и нахождении звёздной системы на расстоянии 4R. В этом случае:
R2 = 4 R, n = 4R/R = 4, V2^2 = V^2/4, тогда:
Fцб2 =mV2^2/R2 = mV^2/4*4R = mV^2/16R, а
Fт2 = GMm/R2^2 = GMm/(4R)^2 = GMm/16R
В этом случае уменьшение значений центробежной силы и силы тяготения в сравнении с соответствующими значениями начального положения также уменьшается равнозначно – в 16 раз.
Получается, что: соотношение между уменьшением силы тяготения и центробежной силой сохраняется постоянно на всём протяжении расширения галактики.
Это и есть третий закон движения звездных систем в галактике.
То есть на всей стадии расширения галактики, звёздные системы движутся при неуравновешенных силах тяготения и центробежных. Поэтому их траектории движения ни когда не выйдут на круговые, замкнутые орбиты. На протяжении всей стадии расширения, движение их будет осуществляться по спиральным траекториям.
Из третьего закона следует очень важный вывод: раз соотношение между двумя указанными силами сохраняется на всей стадии расширения галактики, то траектория движения звёздных систем по спирали не будет менять своих характеристик по времени. Такое движение звёздных систем в обоих ветвях спиральной галактики сравнимо с течением жидкости (положение звездных систем относительно друг друга в потоке одной ветви не меняется). Благодаря чему узор галактик не меняется на протяжении многих миллиардов лет их существования. Можно сказать и так: каков узор газопылевой смеси образовался во время распада объекта вращения, таков узор и останется на протяжении всей фазы расширения. Такое расширение галактик можно ещё сравнить с печатанием фотоснимка с негатива - как бы многократно мы не увеличивали бы изображение негатива, общая картина на позитиве фотоснимка не изменится.
Понятно, что данные законы справедливы и для фазы сжатия галактики. Однако в фазе сжатия скорость движения звёздных систем увеличивается по мере уменьшения размеров галактики. Поэтому формула по определению скорости звёздных систем в фазе сжатия имеет вид:
V1^2 = V^2*n, или V1 = V n^0,5 (2)
Здесь масштабный коэффициент n = R/R1 - показатель уменьшения линейных размеров галактики в фазе сжатия.