Проявление гравидинамических сил

В газовой среде (сжимаемой жидкости) возможно формирование областей повышенного или пониженного давления. Для восстановления равновесия газ стремится перераспределиться и начинает двигаться из области повышенного давления в область пониженного. При этом движении он увлекает находящиеся в нем объекты. Одним из способов создания области пониженного давления является формирование газового ламинарного потока (струи). Убедиться в этом легко, если попытаться продуть струю воздуха между двумя листами бумаги. Чем сильнее струя, тем сильнее будут притягиваться листы друг к другу. Если же продувать две струи навстречу друг другу, то между листами бумаги возникнет область повышенного давления и они начнут отталкиваться друг от друга. Таким образом, возникает эффект возникновения между листами бумаги сил притяжения или отталкивания. Главной же причиной возникновения этих газодинамических сил является появление области повышенного или пониженного давления. Направление действия таких сил перпендикулярно направлению ламинарного потока.

Рисунок 1. Продувка газа между листами бумаги (из книги Антонова В.М.)

Аналогичные эффекты способны создавать вихревые струи газа. Одна вихревая струя создает в окружающем пространстве область пониженного давления. Две вихревые струи, направленные навстречу друг другу, создают в окружающем пространстве область повышенного давления.

Рисунок 2. Создание вихрями областей пониженного или повышенного давления

Газовая вихревая струя имеет тенденцию превращаться в газовую трубку с явно выраженными стенками. Линейные размеры трубки вдоль оси вращения обычно намного больше диаметра трубки. Чем больше скорость стенок, тем большей энергией они обладают. В атмосфере Земли калиброванными газовыми трубками являются самые разрушительные вихри - смерчи с диаметром стенок около 10 метров. Их стенки вращаются со звуковой скоростью. Это подтверждается экспериментальными наблюдениями и теоретическими расчетами, выполненными в 1936 году Кастериным.

Рисунок 3. Взаимодействие объектов, вращающихся в газовой среде

Области пониженного или повышенного давления могут создаваться между двумя вращающимися телами. Вращающиеся объекты увлекают во вращение и окружающие их слои газа. Между двумя вращающимися в противоположные стороны объектами возникает общая струя газа. Она способствует понижению давления в пространстве между объектами, в результате чего между ними возникает дополнительная сила притяжения. Чем больше скорость вращения объектов, тем больше сила притяжения. Между двумя вращающимися в одну сторону объектами увлеченные во вращение потоки газа направлены встречно друг другу. Это способствует повышению давления в пространстве между объектами, в результате чего между ними возникает сила отталкивания. Чем больше скорость вращения объектов, тем больше сила отталкивания. Газодинамические силы подобного вида сонаправлены или противоположно направлены силе гравитации. То есть, они либо усиливают, либо уменьшают гравитационный эффект. Поэтому, газодинамические силы, возникающие между вращающимися телами, еще можно называть гравидинамическими силами. В обычных условиях действие этих сил настолько пренебрежительно мало, что ими можно пренебречь при расчетах. Однако, величина гравидинамических сил возрастает с увеличением скорости вращения и после достижения некой критической скорости начинает превышать величину гравитационных сил. При таких параметрах пренебрегать этими силами никак нельзя. Особый интерес вызывает то, что под действием гравидинамических сил тела могут не только притягиваться, но и отталкиваться друг от друга. Механизм возникновения гравидинамических сил не сможет проявиться, если вокруг вращающегося тела отсутствует среда. В данной монографии в качестве среды рассматривается только газообразная среда. Вращающее тело увлекает во вращение окружающую среду с помощью механического перераспределения импульсов между телом и хаотически сталкивающимися с ним частицами среды.

Рисунок 4. Воздействие вращающегося тела на окрестные тела

Кроме гравидинамических сил притяжения и гравидинамических сил отталкивания существует еще третий тип - гравидинамические силы смещения. Направление их действия перпендикулярно направлению действия гравидинамических сил первого и второго типа.Причина их проявления в том, что увлекаемая во вращение вращающаяся среда воздействует и на окрестные тела, увлекая их во вращение вокруг вращающегося тела.

Удобнее всего проводить эксперименты с двумя вращающимися шарами одинакового размера. В этом случае отпадают побочные эффекты, связанные с несимметричностью тел. Если направление вращения шаров одинаково, то между шарами возникнет сила отталкивания, которая немного отодвинет шары друг от друга. Одновременно с этим начнется вращение шаров вокруг общего центра масс. Объяснение подобного явления довольно простое. Во всем виновата газовая среда, окружающая шары. Каждый вращающий шар увлекает во вращение окружающую газовую среду. А вращающаяся среда воздействует на другой шар - работают гравидинамические силы смещения. При очень большой скорости вращения для наблюдателя система вращающихся вокруг общего центра шаров примет вид сплошного тора.

Рисунок 5. Взаимодействие вращающихся в одну сторону сфероидов

Если направление вращения быстровращающихся шаров разное, то, при сближении их до некоторого критического расстояния, начнется самопроизвольное сближение до полного контакта, с увеличением скорости вращения. Для усиления эффекта можно увеличить поверхность шаров (сделать вмятины и углубления). Эффект объясняется одинаковым направлением вращения соприкасающихся поверхностей. Между шарами образуется направленный поток среды, уменьшающий давление на поверхность шаров. Возникает сила притяжения, многократно превышающая силу гравитации. Одновременно с притяжением будет наблюдаться еще один эффект. Оба шара приобретут поступательную скорость в одном направлении. Это вихрь газа вокруг одного шара толкает другой шар (и наоборот). То есть, действие гравидинамических сил смещения имеет одно направление.

Рисунок 6. Взаимодействие вращающихся в разные стороны сфероидов

Если вращение одного шара остановить и привести в спокойное состояние, а второй шар продолжать раскручивать, то возникнет новое явление. Спокойный шар начнет вращаться вокруг собственной оси и начнет двигаться вокруг быстровращающегося шара. Вращаться шар начнет в направлении, противоположном вращению быстровращающегося шара.

Рисунок 7. Взаимодействие вращающегося и не вращающегося сфероидов

Добавление дыма в окружающий установку воздух позволит обнаружить вихри воздуха вокруг шаров. Форма вихрей и размеры будут постепенно изменяться при медленном сближении вращающихся шаров.

Рисунок 8. Дисковая система, вид с экватора и с полюса

Если массивное вращающееся тело имеет форму шара, то чем ближе к экватору, тем большее воздействие оказывает вовлеченная во вращение среда. Действием гравидинамических сил можно пренебречь уже за пределами плоскостей, параллельных плоскости экватора, ограничивающих вращающее тело. Наибольшему воздействию подвергаются тела, непосредственно находящиеся в плоскости экватора вращающегося тела. В этой плоскости наибольшая скорость вращения окружающей среды. Следствием увеличения скорости является уменьшение давления. Стекающий в область пониженного давления газ увлекает за собой и находящиеся в нем пыль и мелкие тела. Таким образом, комбинированное действие гравидинамических и гравитационных сил приводит к тому, что вся совокупность газа, пыли и мелких тел группируются в дисковую спутниковую систему в плоскости экватора массивного быстро вращающегося тела.

Рисунок 9. Исправление наклона орбиты вновь захваченного в систему тела

Гравитационное поле центрального массивного вращающегося тела может захватить в сферу своего влияния новые мелкие тела. Первоначально орбита такого тела может быть наклонена к плоскости диска. Но орбита постепенно будет смещаться и совместится с плоскостью диска по причине действия стекающего к экватору газа.

Рисунок 10. Линейные скорости объектов с разным расстоянием от вращающегося тела

Окружающая вращающее тело газовая среда не может вращаться по законам твердого тела, так как слои газа не имеют жесткого сцепления между собой. Поэтому, чем дальше слой газа от поверхности тела, тем меньше его скорость вращения. То же самое будет и со скоростью увлекаемых во вращение объектов- спутников, плавающих в газовороте.

Рисунок 11. Появление собственного вращения у окрестных тел

Так как разные слои газа вращаются с разной скоростью, то на любое тело, находящееся в экваториальной плоскости быстро вращающегося тела, будет воздействовать вращающий момент сил, который будет отталкивать спутник от центрального тела и поворачивать. Чем ближе к центральному вращающемуся телу и чем больше диаметр спутника, тем больше вращающий момент. В результате чего окрестное тело начнет вращаться в сторону, противоположную вращению центрального тела.

Прямо противоположные эффекты будут наблюдаться в случае формирования центрального тела и его спутников из единого газопылевого вихря. В этом случае срабатывает закон сохранения момента вращения. Момент вращения родительского облака достанется по наследству слипшимся из пыли телам.

Рисунок 12. Вращение тел, сформировавшихся из единого газопылевого облака

Расстояние спутника от центрального тела будет определяться балансом между гравитационной силой притяжения и суммой отталкивающих сил (центробежной и гравидинамической). При установлении баланса сил на окрестное тело-спутник будет воздействовать только вращающиеся слои газа. Спутник будет плыть в этих слоях подобно щепке в реке, по стационарной круговой орбите, не приближаясь и не удаляясь от центрального тела.Спутники, также как и материнское тело, будут притягивать пыль из материнского газопылевого вихря. Уменьшение радиуса вращения пыли и падение на спутник есть причина тенденции к увеличению момента вращения спутника. С другой стороны, должна действовать противоположная сила, связанная с вращением материнского тела, пытающая сменить знак момента вращения.

Подытожим, что в результате эффекта вращения между телами появляются новые силы (смещения, притяжения и отталкивания), отсутствующие между невращающимися телами. Величина этих сил зависит от скорости вращения. В дальнейшем будем назвать такие силы гравидинамическими силами.

Владимир Яковлев, [e-mail], http://logicphysic.narod.ru, октябрь 2005 года

Проявление джетов

По современным научным представлениям, центром каждой галактики является черная дыра, причем не простая, а сверхмассивная (с массой от миллиона до миллиарда солнечных масс). Если черная дыра находится в центре галактики с большой плотностью вещества, то это вещество начинает “засасываться” черной дырой. По мере приближения к черной дыре заряженные частицы разгоняются, сталкиваются, и это приводит к сильному излучению света. Под действием мощных гравитационных сил, создаваемых черной дырой, вещество устремляется к центру, но движется при этом не по радиусу, а по сужающимся окружностям - спиралям. При этом закон сохранения момента импульса заставляет вращающиеся частицы двигаться все быстрее по мере приближения к центру черной дыры, одновременно собирая их в аккреционный диск, подобный кольцам Сатурна. В аккреционном диске скорости частиц очень велики, и их столкновения порождают не только энергичные фотоны (рентгеновское излучение), но и другие длины волн электромагнитного излучения. Мощнейшее излучение падающего вещества во всем диапазоне длин волн (от радио до гамма) и выдает присутствие черных дыр. Оно такое сильное, что черные дыры могут быть самыми яркими объектами во Вселенной!

Рисунок 1. Художественное изображение квазара GB1508+5714

Согласно законам электродинамики, чем с большим ускорением движется заряженная частица, тем более энергичные кванты света она испускает. Но ускорение тем больше, чем ближе частица к черной дыре. Следовательно, более энергичные фотоны прилетают к нам из непосредственной окрестности черной дыры. А, исследуя спектральный состав излучения, можно оценить массу черной дыры, ее заряд и скорость вращения. Первые прямые свидетельства существования вращающихся черных дыр получены с помощью космического рентгеновского телескопа RXTE. С его помощью обнаружены признаки наличия углового момента у объекта GRO J1655-40. Эта черная дыра с массой 5,5-7,9 масс Солнца находится от Земли на расстоянии 10000 световых лет и образует двойную систему с обычной звездой. Вещество звезды перетекает на черную дыру и выпадает на нее из внутренних частей аккреционного диска, испуская рентгеновское излучение. В спектре рентгеновского излучения были обнаружены квазипериодические осцилляции с частотой 450Гц. Наличие таких осцилляций интерпретируется как периодическое движение плазмы по последней устойчивой орбите вокруг черной дыры. При указанной выше массе орбита с частотой обращения 450Гц может существовать только у черной дыры, обладающей значительным угловым моментом. От этой черной дыры с противоположных сторон исходят две симметричные струи - пучки высокоэнергичных элементарных частиц. Такие струи принято называть джетами (буквально, Jet - струя).

Джеты имеют спиральное воронкообразное строение с малым углом раскрытия. На изображениях близких активных галактических ядер, полученных телескопом “Хабблом”, центральный источник окружен диском, вдоль оси которого видны конусы излучения. Изображения и спектры радиогалактики М87, переданные “Хабблом”, показали, что из вращающегося диска с большой скоростью выбрасывается струя вещества – джет.Размеры джетов зависят от размеров аккреционных дисков астрономических объектов. Среди них могут быть разные объекты: от сжимающихся облаков с областями звездообразования до небольших черных дыр. Огромный рентгеновский джет, протяженностью более миллиона световых лет, обнаружен в далеком квазаре PKS 1127-145. Самый удаленный джет зафиксирован от квазара GB1508+5714. По теоретическим оценкам, джет длиной 100 тысяч световых лет и находится на расстоянии 12 миллиардов световых лет от Земли. Джет наклонен по отношению к нам и виден в рентгеновском диапазоне. Ядро галактики Центавр A образует мощный джет длиной около 4 000 световых лет.

Рисунок 2. Изображение джета HH49/50 (объект Хербига-Аро)

Длина одного из самых миниатюрных джетов HH49/50, летящего со скоростью 100 километров в секунду - несколько световых лет. Изображение этого джета получено космическим телескопом Спитцера. Джет сформировала рождающаяся звезда, которая находится за верхним краем картинки. Предполагается, что яркая звезда около нижнего конца джета случайно оказалась на луче зрения. HH49/50 находится на расстоянии 450 световых лет, в молекулярном облаке Хамелеон I. Хорошо заметно изменение окраски джета: вверху преобладают красные оттенки, а ближе к концу - голубые. Искусственные цвета инфракрасного изображения свидетельствуют о систематическом изменении длин волн излучения. Неоднородность цветовой окраски свидетельствует о спиральной структуре джета.

Рисунок 3. Изображение радиогалактики типа FR II

Радиогалактики делятся на два класса. Джеты радиогалактик класса FR II в основном гладкие, часто односторонние и заканчиваются горячими пятнами в хорошо выделенных протяженных компонентах. В то же время джеты в FR I галактиках двусторонние, и радиоструктуры часто искажены и перьеобразны. Гладкая структура джетов в FR II объектах может сохраняться за счет сверхзвуковых потоков вещества и большей скорости вращения воронки джета. Различные степени вращения черной дыры создают различие в природе производимых джетов: медленное вращение приводит к субзвуковым джетам, быстрое - к сверхзвуковым. Причиной проявления горячих пятен на концах джетов может быть концентрация вещества при релаксации вихря. У галактик типа FR I джеты могут быть субзвуковыми, что делает их восприимчивыми к искажениям при взаимодействии с обтекающей средой.

Рисунок 4. Схематическое изображение источника джетов

Абсолютное большинство космических объектов (квазары, активные галактические ядра, Сейфертовские и радиогалактики, блазары) имеют единое происхождение - в их центре располагается большая черная дыра. Если наблюдатель их видит в плоскости аккреционного диска, то окружающее вещество экранирует ее центральную часть, смягчая излучение, и наблюдается радиогалактика, поскольку максимум излучения находится в радиодиапазоне. Если же на наблюдателя направлен один из джетов активного ядра какой-либо галактики, то виден блазар, источник жесткого гамма-излучения переменной яркости. В большинстве случаев наблюдение происходит под каким-либо промежуточным углом. В этом случае виден квазар - до Земли долетает излучение и от джетов, и от аккреционного диска, и от нагретого в окружающем пространстве газа.

Черные дыры как пылесосы всасывают в себя все окружающее вещество. Благодаря этому, они должны непрерывно увеличивать свою массу. В то же время, черные дыры как мельницы перемалывают вещество и выбрасывают (излучают) его из полюсов. Если объект излучает, то его масса должна уменьшаться. Наличие джетов говорит о теоретической возможности испарения черной дыры – уменьшения ее массы при превышении интенсивности выброса вещества джетами над интенсивностью поглощения вещества из аккреционного диска. Такая ситуация возможна при сверхнизкой концентрации вещества в окрестностях черной дыры. Когда черная дыра засосет все вещество (пыль, газ) из окружающих окрестностей, то светящийся аккреционный диск исчезает. В этом случае наличие черной дыры можно обнаружить только с помощью многолетних наблюдений за движением окружающих звезд. Именно таким способом была обнаружена черная дыра в центре нашей галактики.

Рисунок 5. Фотографии SB-галактик на последовательных стадиях развития

Парадоксы строения SB-галактик можно объяснить следующим образом: если ось вращения черной дыры медленно поворачивается в пространстве, то и вихри джетов поворачиваются по законам твердого тела. На фотографиях таких галактик можно визуально определить области, где происходит переход вихревого струйного движения в турбулентное хаотическое. Турбулентные же области образуют загибающиеся рукава. То, что джеты являются газопылевыми струями, свидетельствует мощное звездообразование на концах джетов и в рукавах. Внутри галактики наблюдается пустота – сама черная дыра не излучает. Вихри джетов образуют прямую перемычку (бар), пересекающую шарообразное скопление вокруг центра. Рукава начинаются не с центра галактики, а с концов перемычки. По логике следует, что чем длинее рукава галактики, тем больше ее возраст.

На сегодняшний день наиболее распространена точка зрения, согласно которой причиной возникновения джетов является наличие мощного магнитного поля у вращающейся черной дыры. Магнитное поле дополнительно закручивает падающие на аккреционный диск частицы и собирает их в тонкие пучки, джеты, разлетающиеся от полюсов. При столкновениях энергия частиц и скорость кругового движения части частиц уменьшаются, они потихоньку приближаются к черной дыре и поглощаются ею. Другая часть заряженных частиц направляется магнитным полем к полюсам черной дыры и вылетает оттуда с огромной скоростью, образуя наблюдаемые учеными джеты длиной до1 млн. световых лет. Частицы в джете сталкиваются с межзвездным газом и пылью, излучая электромагнитные волны.

Рисунок 6. Вихревой механизм формирования джетов

Некоторые данные о строении Земли наталкивают на мысль, что возможен еще один физический механизм формирования джетов. Земля напоминает некое подобие сплющенного у полюсов куриного яйца. Средняя толщина земной коры всего около 50-80 километров, что по сравнению с размерами Земли является лишь только тонкой твердой пленкой - скорлупой. В основной своей массе Земля находится в жидком состоянии. В окрестностях черной дыры (в аккреционном диске) находится всасываемая газопылевая взвесь высокой плотности, разогретая до высокой температуры от столкновений. Горячий аккреционный диск должен защищать поверхность черной дыры от переохлаждения, поэтому нет никаких оснований считать, что черная дыра находится в твердом агрегатном состоянии. Не важно, является ли вещество черной дыры плазмой, нейтронной жидкостью или еще чем-либо, но в любом случае это вещество должно подчиняться законам гидродинамики. По этим законам аккреционный диск должен поделить черную дыру пополам. При приближении к черной дыре все космические объекты от столкновений и чудовищной гравитации должны перемалываться в ионизированную пыль. Так как у черной дыры нет твердой поверхности, то плотность газопылевой плазмы должна увеличиваться постепенно, без резких переходов. Газопылевая плазма, непрерывно падающая из аккреционного диска на черную дыру, по инерции должна проваливаться вглубь черной дыры, увлекая за собой вещество поверхности. Эксперименты с жидкостями показывают, что подобные процессы должны сопровождаться формированием тороидального вихря. В нашем случае два тороидальных вихря, разделенные аккреционным диском, должны распространиться по всему объему черной дыры. А на торцах тороидальных вихрей вещество черной дыры выбрасывается по инерции в виде воронкообразного вихря.

 

Владимир Яковлев, [e-mail], http://logicphysic.narod.ru, июль 2006 года