О механизме расширения Вселенной

О МЕХАНИЗМЕ РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

А. Кайнов

Из закона Всемирного тяготения следует, что галактики должны притягиваться друг к другу, сближаясь в результате взаимодействия. Однако такого сближения, как всеобщей тенденции, не наблюдается. Напротив, как установлено, галактики удаляются друг от друга. Возможно, силам тяготения, в глобальном масштабе, противодействуют силы отталкивания, например порожденные действием таинственной «темной энергии». Также возможно и то, что закон Всемирного тяготения неприменим в отношении галактик, а их разбегание обусловлено действием иного механизма. В настоящее время наиболее популярна модель с «темной энергией». Но нет ли иных причин для разбегания галактик? Исследованию этого вопроса посвящена данная статья.

Открытие в начале 20 века красного смещения в спектрах излучения галактик выявило, что Вселенная является нестационарной системой, галактики в которой удаляются друг от друга (разбегаются) согласно закону Хаббла [1] со скоростью v » H₀× R, где H₀ – постоянная Хаббла, R – расстояние до галактики. Последующее изучение движения галактик обнаружило его некоторые особенности [2]:

- в ближних окрестностях нашей галактики, ряд галактик, находящихся на расстоянии более 1...2 Мпк от нее, удаляется по закону Хаббла, образуя местный хаббловский поток, а другие, находящиеся ближе (Местная группа), движутся иначе, аналогичное поведение – разделение галактик на движущиеся согласно закону Хаббла и не подчиняющиеся этому закону, характерно и для других скоплений галактик;

- значение постоянной Хаббла, определенное для сравнительно небольших объемов пространства с неравномерным распределением галактик, близко к ее значению для значительных по размеру областей Вселенной, в которых галактики распределяются равномерно, местная постоянная Хаббла составляет 72 ±8 км/с/Мпк, в масштабах от 4 до 200 Мпк значение постоянной Хаббла составляет 62 ±7 км/с/Мпк;

- наблюдение сверхновых звезд выявило положительное ускорение движения (разбегания) наиболее удаленных галактик.

Основной причиной разбегания галактик называют, подтверждаемое теоретически, явление антитяготения, порождаемое действием «темной энергии», причем считается, что граница в 1,3...1,5 Мпк обусловлена началом преобладания антитяготения над тяготением [2]. Однако природа и механизм действия «темной энергии» остаются до настоящего времени невыясненными и поэтому гипотеза о наличии «темной энергии» представляется спорной.

В качестве альтернативы предлагается другая гипотеза, объясняющая причины разбегания галактик, в соответствии с которой удаление галактик друг от друга связано с уменьшением плотности распределения галактик в результате их свободного перемещения по пространству (блуждания), описываемого законом нормального распределения. Такое движение галактик возможно, если гравитационное взаимодействие между ними осуществляется иначе, чем это следует из закона Всемирного тяготения, и не является определяющим для их поведения. Возможность отклонения величины гравитационного притяжения галактик от закона Всемирного тяготения отмечена в [3]. Суть альтернативной модели изложена ниже.

Пусть имеется трехмерное пространство, разбитое на одинаковые ячейки с размерами l ´ l ´ l, пронумерованные от центра пространства так, что номера ячеек вдоль каждой оси принимают значения: 0; ±1; ±2; ±3 … . Пусть некоторый объект, первоначально находившийся в ячейке с номером «0, 0, 0» - центр пространства, осуществляет переходы по трем осям одновременно, изменяя за один шаг номер ячейки, в которой находится, на единицу вдоль каждой оси, при этом вероятности увеличения или уменьшения номеров ячеек равны. Тогда, по теореме Лапласа [4], после совершения n переходов, вероятность попадания объекта в ячейку с номером (m_x; m_y; m_z) составит

P_n_,_m » (2 / pn)³^/²× exp[ - (m_x²+ m_y²+ m_z²) / 2n] .

Если переходы по трехмерному пространству из ячейки «0, 0, 0» совершают одновременно N объектов, а время совершения одного шага t = t / n , где t - время, прошедшее с начала блуждания, то величина

v_r » r × [1 - (m_x² + m_y² + m_z²) / 3n] / 2t ,

где r - минимальное расстояние между объектами в ячейке, является скоростью относительного движения соседних объектов в ячейке (m_x; m_y;m_z), при условии, что объекты распределены в этой ячейке равномерно. Такая скорость может быть, как больше нуля – взаимное удаление объектов при (m_x² + m_y² + m_z²) < 3n – область уменьшения плотности распределения объектов, так и меньше нуля – взаимное сближение объектов при (m_x² + m_y² + m_z²) > 3n – область увеличения плотности распределения объектов. Величина

H= [1 - (m_x² + m_y² + m_z²) / 3n] / 2t

подобна постоянной Хаббла H₀.

Если r = l – размер ячейки, то

v_l» l × [1 - (m_x² + m_y² + m_z²) / 3n] / 2t

представляет собой, условно, скорость линейного расширения указанной ячейки. Если объекты, для которых определяется скорость их взаимного удаления, расположены в разных ячейках пространства, то искомая величина скорости определяется суммой скоростей расширения ячеек, расположенных между данными объектами.

Рассмотрим движение объекта относительно центра пространства. Пусть объект находится в ячейке такой, что m_x= m_y= m_z= m. Тогда, при m >> 1, расстояние от центра пространства до объекта

R » 3¹² × ml ,

а скорость его удаления от центра пространства

v_r » R × (1 - m² / 3n) / 2t ,

где m – пропорционально расстоянию до удаляющегося объекта, а n – пропорционально времени, прошедшему с начала блуждания, причем величины m и n – безразмерные.

Ускорение удаления от центра пространства объекта, находящегося в ячейке m_x = m_y = m_z = m, определяется выражением

a » R × (2m² / 3n - 1) / 2t² .

При m > (3n / 2)¹^/²,ускорение удаления положительно (a > 0), а величина H уменьшается более чем в два раза по сравнению с ее значением в центре пространства при m = 0 (H < 0,5 / 2t).

В ячейке m_x = m_y = m_z = m, при m > (3n / 2)¹^/², вероятность появления объекта P_n_,_m < 0,1 × (2 / pn)³^/². То есть, изменение плотности распределения объектов по пространству, в области отрицательных значений ускорений удаления, достаточно мало изменяется (в пределах одного порядка) от расстояния до центра пространства, и в большей степени зависит от прошедшего с момента начала блуждания времени (количества совершенных шагов).

Как видно из вышеизложенного, если большую часть наблюдаемой Вселенной отождествить с областью отрицательных значений ускорения удаления объектов, а место наблюдения (галактику Млечный путь) считать расположенным достаточно глубоко внутри этой области, то поведение объектов, участвующих в процессе случайного блуждания, аналогично поведению галактик:

- скорость взаимного удаления объектов, также как и в законе Хаббла, приблизительно пропорциональна расстоянию между ними и обратно пропорциональна времени, прошедшего с начала блуждания;

- при увеличении расстояния между объектами, скорость взаимного удаления объектов отклоняется от линейной зависимости в сторону уменьшения, что находит подтверждение в некотором уменьшении величины постоянной Хаббла с увеличением расстояний, для которых эта постоянная определялась;

- на значительных расстояниях от центра пространства, ускорение движения (удаления) объектов положительно так же, как ускорение разбегания наиболее удаленных галактик.

Тот факт, что величина постоянной Хаббла, определенная для небольших объемов пространства с неравномерным распределением галактик, близка к ее значению для значительных по размеру областей, в которых галактики распределяются равномерно, подтверждает независимость этой постоянной от плотности распределения вещества в пространстве.

В области снижения плотности объектов, вплоть до границ возникновения положительных значений ускорения их удаления от центра пространства, различия в плотности распределения объектов по величине не превышают одного порядка, что близко к ситуации с приблизительно равной плотностью распределения галактик в наблюдаемой части Вселенной [2].

Разделение галактик на «Местную группу» и хаббловский поток может быть объяснено следующим образом. Скорость движения галактики содержит случайную и систематическую составляющие. Случайная составляющая – это собственная скорость галактики, как предполагается независящая от расстояния до этой галактики. Систематическая составляющая – это скорость, связанная с уменьшением плотности распределения галактик вследствие их свободного блуждания, приблизительно линейно увеличивающаяся с расстоянием. Если галактики расположены сравнительно недалеко друг от друга, систематическая составляющая меньше случайной – галактики движутся в произвольных направлениях. При увеличении расстояния между галактиками, величина систематической составляющей возрастает – галактики разбегаются.

Если предлагаемая альтернативная гипотеза верна, то в закономерностях движения галактик должно наблюдаться следующее:

- отношение скорости удаления галактики к расстоянию до нее должно уменьшаться при увеличении этого расстояния;

- ускорения удаления галактик должны иметь преимущественно отрицательные значения, положительные значения должны наблюдаться на больших расстояниях от места наблюдения, при низких, относительно величины местной постоянной Хаббла, значениях этой постоянной;

- в области наблюдаемой Вселенной (до границ возникновения положительных значений ускорения удаления) должна проявляться пространственная анизотропия плотности распределения галактик (в пределах одного порядка) и величины постоянной Хаббла (до двукратного уменьшения относительно местной постоянной Хаббла).

Источники:

1. Физика: Энциклопедия./Под ред. Ю.В. Прохорова. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. – 944 с.: ил.

2. И.Д. Караченцев, А.Д. Чернин. Темная энергия в ближней Вселенной. http://inauka.ru/.

3. Физика темноты или умножение сущностей. http://ankajnov.narod.ru/

4. Математика: Энциклопедия./Под ред. Ю.В. Прохорова. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. – 845 с.: ил.

А. Кайнов. Январь 2010 г.

Другие работы автора этой статьи можно посмотреть на сайте:

http://ankajnov.narod.ru/. Адрес для сообщений: ankajnov@yandex.ru