Дисбаланс электрического заряда – причина образования спиральных галактик

В настоящее время имеется большое количество экспериментальных наблюдений выбросов массы – джетов. Это явление наблюдается у объектов разных совершенно разных масштабов и параметров – у протозвезд, пульсаров, микроквазаров и, конечно, у галактик с активными ядрами и квазаров.[1] Это предполагает наличие некоторого общего механизма генерации и коллимации этих выбросов, который успешно работает в разных физических условиях и на разных масштабах объектов.

На сегодня нет убедительного объяснения наблюдаемым биполярным выбросам массы. Для того, чтобы объяснить такие выбросы нужно предложить механизм способный преодолеть мощные силы гравитационного притяжения, при этом обеспечить фокусировку и высокую направленность джета. Существуют модели, предполагающие ускорение и коллимацию джетов с помощью магнитного поля [2]. Но такие модели сталкиваются с трудностями для объяснения выбросов слабо ионизованного вещества, например, у протозвезд, которые наблюдаются в мазерных линиях водяного пара [3], и даже небольшая степень ионизации разрушила бы мазерный эффект. Очевидно, что магнитное поле не может быть основным механизмом таких выбросов, так как при крайне малой степени ионизации магнитное поле не способно сколько-нибудь серьезно воздействовать на вещество. Конечно, влияние магнитного поля имеет место в случае выбросов плазмы, но как дополнительный механизм, а не основной.

В рамках данной работы мы предлагаем обратить внимание на Кулоновские электрические силы, которые способны создавать подобные выбросы даже в лабораторных условиях и рассмотрим с этой точки зрения вопрос происхождения спиральной структуры галактик.

Наблюдения выбросов

В галактиках наблюдаются характерные биполярные выбросы массы, простирающиеся на огромные расстояния (рис.1). Радиоизображения свидетельствуют о наличии двух джетов, вытекающих в противоположные стороны. Иногда видим только один джет, но результаты радиоинтерферометрии показывают наличие и противоположно направленного контрджета, который однако имеет небольшие размеры и очень быстро перестает быть видимым.

А)

Б)

В)

Г)

А - Радиогалактика 3C31, VLA, NRAO; Б - Радиогалактика 3С296, 5 ГГц, VLA, NRAO+ наложена оптика В - Радиогалактика Лебедь А, 5 ГГц, VLA, NRAO; Г - Квазар 3С175, 6 ГГц, VLA, NRAO
Рис. 1. Выбросы – джеты в галактиках из архива NRAO(США)

Джеты снабжают высокоэнергичными частицами широко разнесенные протяженные области радиоизлучения. Их линейный размер иногда превышает диаметр звездной составляющей галактики, видимой в оптическом диапазоне. Именно эти области дают основной вклад в общее мощное радиоизлучение радиогалактик и квазаров.

Видно, что на определенном расстоянии выброс замедляется и дестабилизируется, а на рис. 1А еще и заворачивается в спираль. Очевидно, что вещество выбросов может быть захвачено гравитационным полем, уплотниться и в дальнейшем принять участие в процессах звездообразования.

Брызги Релея как физическая модель образования джетов.

Между тем похожее явление происходит с заряженной каплей жидкости в лаборатории – брызги Релея, теоретически описанные Релеем в 1882 году [4].

Экспериментальное подтверждение получено группой ученых [5] из технического университета г. Ильменау (Германия). Капля этиленгликоля инжектировалась в электродинамический левитатор с помощью пьезоэлектрической дюзы, подобной тем, что используются в печатающих головках столь распространенных в наше время струйных принтеров. В левитаторе капля освещалась несфокусированным пучком лазера, что позволяло в реальном времени следить за размером капли и ее удельным зарядом. Рэлеевский предел достигался за счет испарения нейтральных молекул с поверхности капли, после чего резко возрастала амплитуда квадрупольной моды колебаний капли. Это служило сигналом к началу микрофотосъемки с заранее определенным временем задержки.

Эксперимент был последовательно повторен для нескольких капель, каждая из которых была сфотографирована один раз. Время задержки постепенно увеличивалось дабы запечатлеть процесс на разных стадиях. Как и предсказал Рэлей, капля сперва вытягивается в эллипсоид, выбрасывая струи брызг (джеты) из полюсов эллипсоида, а затем вновь обретает сферичность.

Рис. 2. Процесс разрушения капли этиленгликоля, заряженной до Рэлеевского предела (X=1), и формирования джетов

Основным условием для образования схожего процесса в галактиках является наличие мощного поверхностного электрического заряда, вероятно формирующегося на поверхностной области центрального сверхмассивного тела или в его непосредственной близости. Нагретое тело в космосе испускает электроны за счет термоэлектронной и фотоэлектронной эмиссии. Эти электроны не могут сразу вернуться обратно, так как нагретое тело излучает фотоны, которые, за счет эффекта Комптона, ускоряют электроны в сторону от нагретого тела, формируя тем самым источник электродвижущей силы, как в батарейке. Таким образом в области с высокой температурой накапливается положительный электрический заряд. В процессе аккреции мы имеем так же асимметрию, так как положительные ионы имеют намного большую массу чем электроны, а значит сильнее взаимодействуют с гравитационным полем. Аккреционный диск создает приток вещества в плоскости диска, при этом зона избыточного заряда может вытягиваться в поперечном направлении, см. схему на рис. 3. В дальнейшем указанная область принимает на себя электрический заряд, вплоть до достижения критического уровня, за которым происходит деформация и срыв. Критический уровень может достигаться в том числе из-за гравитационного сжатия. В этом случае аналогично Релеевским брызгам, может произойти деформация оболочки и выброс вещества. Процесс может повторяться, образуя серию выбросов.

Вокруг выбросов будет находиться электронное облако, которое сможет постепенно рекомбинировать с веществом выброса, когда оно достаточно остынет и разделяющий барьер в виде фотонов перестанет существовать. В этом случае поток очевидно будет дестабилизирован и начнет терять свою направленность и структуру.

При этом механизм будет работать даже в слабо ионизированной среде, за счет электризации пылинок.

Рис. 3. Схема работы

Процесс образования галактик

Представляет несомненный интерес процесс формирования галактик, в том числе их спиральной структуры. С точки зрения А.И. Демичева [6] процесс образования спиральной галактики можно представить, как последовательность биполярных выбросов заряженной плазмы ядром галактики в результате дисбаланса электрического заряда. При этом выбросы происходят по вышеописанному механизму, но в плоскости галактики, что так же возможно и зависит от условий формирования и формы центральной заряженной области.

 Можно предположить, что в ядре галактики накапливается избыточный положительный заряд. При достижении критической плотности положительного заряда и в процессе гравитационного сжатия происходит деформация ядра в форме эллипса, с острых концов которого выбрасывается часть положительно заряженной плазмы виде биполярных потоков вещества. При этом электрические силы отталкивания позволяют веществу двигаться против гравитации от центра к внешней части галактики. Если ядро вращается вокруг своей оси в момент выброса положительно заряженной плазмы, то мы получим 2 спиральных рукава (рис.4.)

Спиральные галактики имеют форму плоского диска с толстой выпуклостью по центру. Спиральные яркие рукава исходят от центра наружу.

Рис. 4. А - Схема движения вещества. Б - NGC 1300 (ESO 547-31, MCG −3-9-18, UGCA 66, IRAS03174-1935, PGC 12412) – спиральная галактика с перемычкой, находится на расстоянии около 60 миллионов световых лет в созвездии Эридан

Радиальная скорость выброса заряженной плазмы зависит от массы и плотности самого ядра, расстояния от центра ядра до точки выброса плазмы, а также накопленному электрическому заряду. Чем больше расстояние от центра ядра, тем меньше радиальная скорость выброса заряженной плазмы. Выбросы могут происходить в виде импульсов, аналогично брызгам Релея, и из-за огромных расстояний между центром ядра и острыми концами эллипса область, окружающая ядро восстанавливает сферическую форму после выброса не полностью, а только рядом с ядром. Вещество центральной части области ядра образует перемычку и активно участвует в звездообразовании.

Рис. 5. NGC 1097 (другие обозначения – ESO 416-20, IRAS02441-3029, MCG -5-7-24, Arp 77, UGCA 41, AM 0244-302, PGC 10488) – спиральная галактика в созвездии Печь. Этот объект входит в число перечисленных в оригинальной редакции «Нового общего каталога», а также включён в атлас пекулярных галактик

На рисунке 5 изображена галактика NGC 1097 в которой продолжаются выбросы заряженной плазмы с острых концов эллипса. Мы наблюдаем, как плотная часть вещества эллипса движется вдоль прямой соединяющей острые концы эллипса и центра галактики, формируется в перемычку. Вокруг ядра галактики происходит формирование области в виде шара. Перемычка имеет вид прямой соединяющей центр галактики и острые концы эллипса.

В процессе вращения перемычка ведет себя как твердое тело, не подчиняясь законам Кеплера (см. рис.6), что свидетельствует о том, что гравитационные силы не являются определяющими. Внешние области галактики так же вращаются не в соответствии с законами Кеплера, что на сегодня объясняется гипотезой темной материи и темного «гало» галактики. Однако все может объясняться намного проще, дисбаланс электрического заряда в галактике создает дополнительные электрические силы притяжения для внешних отрицательно заряженных областей галактики. Соответственно, изменяются и скорости их вращения. При этом электрические силы намного мощнее гравитационных, для двух протонов их отношение составляет ~10³⁶ и вполне способны скомпенсировать гравитацию даже при небольшом дисбалансе электрического заряда.

Рис. 6. Примерная характерная кривая вращения галактик

Примеры галактик с точки зрения рассмотренной теории

На рисунке 7 изображена галактика UGC 6093 в стадии завершения выброса заряженной плазмы в виде рукавов. Область вблизи ядра восстановила первоначальную сферическую форму. Наиболее удаленная часть ее не вернулась в первоначальное положение, и образовала перемычку. Время, в течение которого происходил активный процесс в ядре, сопровождающийся выбросом заряженной плазмы составляет примерно 5/4 от времени полного оборота галактики вокруг своей оси. Для нашей галактики “Млечный путь” похожей на UGC 6093 время полного оборота вокруг своей оси примерно 250 миллионов лет. Спиральные галактики с перемычкой довольно многочисленны. Наблюдение показывает, что 2/3 спиральных галактик имеет перемычку. Спиральные ветви таких галактик начинаются на концах перемычек.

Рис. 7. Спиральная галактика с перемычкой (UGC 6093)

Рис. 8. Типы спиральных галактик (А - с перемычкой) из каталога Meccьe

Если объем области вокруг ядра относительно не большой, то после выброса она восстанавливает сферическую форму. В этом случае перемычка не образуется, и спиральные ветви начинаются непосредственно рядом с ядром.

Рис. 9. M 51 – спиральная галактика, по морфологической классификации де Вокулёра относящаяся к типу SA(s)bc и имеющая упорядоченную структуру. Она относится к сейфертовским галактикам типа II, а также, из-за взаимодействия с компаньоном NGC 5195, к пекулярным галактикам и входит в Атлас пекулярных галактик

Ядра галактик в процессе эволюции способны выбрасывать вещество несколько раз, образуя спиральные галактики с несколькими рукавами (рис. 10.), которые накладываются друг на друга, создавая большое многообразие спиральных галактик (рис. 10, 11).

На рисунке 10 мы наблюдаем спиральную галактику с 4мя рукавами. Два рукава более ”старые”, внутри рукавов активно идет процесс звездообразования. Два других - более молодых, они покрыты густой звездной пылью. На рисунке 11 мы наблюдаем галактику M101. В галактике М101 “вертушка” можно так же выделить 2 ‘старых’ рукава с активными процессами звездообразования и два молодых, где много звездной пыли и газов.

Рис. 10. NGC 1232 (другие обозначения – ESO 547-14, MCG -4-8-32, Arp 41, PGC 11819) – спиральная галактика с перемычкой в созвездии Эридан. Второй снимок наблюдался с помощью рентгеновской обсерватории НАСА "Чандра"

Рис. 11. Галактика Вертушка – спиральная галактика в созвездии Большая Медведица. Галактика М101 находится на расстоянии 27 млн. св. года от Земли, радиус галактики 85 000 св. лет. Второе изображение UVOT сочетает в себе как ультрафиолетовый, так и видимый свет от ряда фильтров

Среди прочих спиральных галактик выделятся галактика NGC 4921 (рис.12). Ее спиральные ветви выделяют довольно тусклое свечение по сравнению с центральной зоной. Это означает, что в рукавах галактики почти не происходит процесс звездообразования, что довольно нетипично для галактик подобного рода.

Рис. 12. NGC 4921 (другие обозначения – UGC 8134, MCG 5-31-98, ZWG 160.95, DRCG 27-97, PGC 44899) – галактика в созвездии Волосы Вероники. 320 млн. световых лет

Особенности формирования галактики NGC 4921 можно объяснить низкой радиальной скоростью выброса заряженной материи из области ядра. Электрически заряженная струя материи, выброшенная из области ядра, создает трубчатое магнитное поле, которое сжимает заряженную материю в струю. Чем больше радиальная скорость выброса заряженной материи, тем плотнее и тоньше струя, а, следовательно, плотнее и тоньше рукав галактики В плотной материи облегчен процесс звездообразования. В галактике NGC 4921 выброс заряженной материи происходит с относительно низкой радиальной скоростью. Слабое магнитное поле струи не может сжать заряженную материю в струю.

Возможности и перспективы

С помощью описанного выше механизма генерации выбросов вещества из-за накапливающегося дисбаланса электрического заряда в центральных областях галактик можно объяснить формирование всех основных типов спиральных галактик по Хабблу (см. рис.13).

В зависимости от исходных данных – скорости вращения ядра галактики и скорости выброса заряженного вещества, можно получить тот или другой тип (рис.13).

А

Б

Рис. 13. А – спиральная форма галактики, определяемая истечением вещества и вращением. Б – Классификация галактик по Хабблу

При этом рукава галактики образуются в виде относительно разряженных шлейфов, которые затем остывают и уплотняются. Звезды возникают в выброшенных из ядра галактики спиральных рукавах.

Очевидно, что вопрос электродинамики при образовании спиральных рукавов галактик требует исследования с помощью современных вычислительных средств, но для этого модели должны учитывать, что вещество галактик не может быть полностью электронейтральным, а тепловое излучение вещества в виде фотонов препятствует рекомбинации и создает электродвижущую силу, выдавливая отрицательно заряженные электроны во внешние области галактики. Конфигурация еще более усложняется за счет создаваемых этими движениями заряженных частиц магнитных полей, которые тоже необходимо учитывать в компьютерной модели. Этот актуальный вопрос выходит за рамки данной статьи и ждет своего исследователя.

Заключение

Основной причина выбросов массы из сверхмассивных объектов приводящих к образованию спиральных галактик является противодействие электрических сил отталкивания в области вокруг ядра галактики, гравитационным силам притяжения. Отрицательно заряженные электроны благодаря термоэлектронной эмиссии и последующему ускорению за счет импульса фотонов покидают эту область, что приводит к накапливающемуся дисбалансу электрического заряда.

При достижении определенной критической плотности электрического заряда в области вокруг объекта силы электрического отталкивания становятся больше, чем силы гравитационного притяжения и происходит деформация и срыв заряженной оболочки объекта. Процесс происходит в виде выброса биполярных потоков вещества и большим выделением электромагнитной энергии. Выбросы затем теряют коллимацию и скорость и конденсируются в спиральные рукава, в которых вещество остывает, теряет электрический заряд, и через некоторое время там начинаются процессы звездообразования, формируя привычный нам вид спиральных галактик.

1. Попов С. Б.// Звездные струи URL: http://www.astronet.ru/db/msg/1166918 (дата обращения. 10.10.2018)
2. Tchekhovskoy A., Bromberg O. Three-dimensional relativistic MHD simulations of active galactic nuclei jets: magnetic kink instability and Fanaroff-Riley dichotomy // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, Volume 461, Issue 1, 01 September 2016, Pages L46–L50. 
3. Matveyenko, L. I.; Diamond, P. J.; Graham, D. A. Discovery of a jet in the region of H₂O supermaser emission in Orion KL Astronomy Letters, Volume 24, Issue 5, September 1998, pp.623-631. 
4. Rayleigh, Lord Phil. Mag. 14, 184186 (1882).
5. Duft, D., Achtzehn, T., Müller, R. et al. Rayleigh jets from levitated microdroplets. Nature 421, 128 (2003). 
6. Демичев В. В., Демичев А. И. Основная причина космических взрывов – дисбаланс электрического заряда // Актуальные исследования. 2021. №8 (35). С. 6-14. URL: https://apni.ru/article/1954-osnovnaya-prichina-kosmicheskikh-vzrivov (дата обращения: 201.2023).