“О ВРАЩЕНИЯХ НЕБЕСНЫХ СФЕР”

Напечатано в журнале "Инженер" 2006, №9

Николай Коперник [1]

   Прежде говорилось о роли орбитального вращения в создании таких миражей [2]. Но не менее значимо осевое вращение звёзд, этих сфер неба. Так, если справедлив классический принцип относительности, эти сферы перестанут выглядеть таковыми: крутящиеся звёзды покажутся вытянутыми, словно эллипсоиды. Ведь у звезды, имеющей удалённость L, радиус R и вертящейся с угловой скоростью ω (рис. 1), одна сторона удаляется от нас с окружной скоростью ωR, а другая – с той же скоростью приближается. По принципу относительности Галилея скорость света C механически сложится со скоростью испустивших его точек звезды. Поэтому свет от сближающегося края M прибудет к нам за время L/(C+ωR), а от удаляющегося N – за время L/(C–ωR) и воспримется примерно на время T= 2LωR/C² позднее.

    За это время звезда, обладающая линейной скоростью V, сместится на расстояние S= VT= 2LVωR/C². Поэтому свет двух боков звезды, видимых нами одновременно, в действительности испущен в разные моменты времени, из разных положений звезды, разнесённых на расстояние S. Прочие точки звезды имеют промежуточные лучевые скорости и потому непрерывно заполняют отрезок S. Выходит, согласно принципу относительности, вместо звёзд-точек мы должны наблюдать звёзды-отрезки, штрихи? (Изображение звезды оказывается смазанным, размытым вдоль видимой траектории её движения, словно на фотоснимке с большой выдержкой.) Но при имеющихся линейных и окружных скоростях звёзд их размытие S столь мало, что даже сквозь сильнейшие телескопы звезда будет видна как точка. В самом деле, разрешение лучших астрономических труб составляет порядка угловой секунды (1''– 0,1''). Тогда как угол, под которым виден отрезок S, равен S/L= 2VωR/C² радиан, что даже для самых быстрых звёзд с линейными и окружными скоростями в 200 км/с даёт угол размыва в 0,2 угловой секунды. Поэтому у большинства звёзд "вытянутость" будет незаметна.

    Но это при наблюдении в простые телескопы. А ныне стали широко развиваться интерферометрические методы анализа неба, дающие столь высокие угловые разрешения (до 0,0001''), что можно различать диски звёзд. И как раз тут учёных ожидал сюрприз, поскольку эти наблюдения, способные выявить эффект размытия, дали весьма странные, несогласные с нынешней физикой результаты. Так, некоторые быстровращающиеся звёзды действительно оказались сильно вытянутыми. Примером может служить звезда Ахернар (α Эридана), имеющая гигантскую окружную скорость: что-то около 240 км/с. К удивлению учёных звезда имеет вид не круга, а вытянутого эллипса с отношением осей 1,5. Как признаются учёные, даже быстрое вращение не смогло бы сплющить звезду в столь сжатый эллипсоид [3].

    Так, может, этот эллипсоид – следствие размыва звезды? В самом деле, если условно разделить диск звезды на полосы, то размытие диска создаст видимый сдвиг каждой полосы, пропорциональный её лучевой скорости ωr, т.е. расстоянию r до центра O. Тогда в зависимости от направления движения звезды её видимый диаметр MN растянется или сожмётся на величину S, придав ей вид овала (рис. 1). Ведь линейно растянутый или сжатый круг – это эллипс, как легко убедиться, исследуя тень круглой монеты. Лишь допустив, что скорость источника влияет на скорость испущенного им света, удаётся объяснить загадку Ахернара.

    Не меньшее удивление одолело учёных, когда они попытались с помощью астроинтерферометра непосредственно пронаблюдать пульсации некоторых цефеид. Так у Полярной звезды, как у ближайшей к нам цефеиды, предполагали обнаружить радиальные пульсации, т.е. периодические колебания её радиуса. Но выяснилось, что в зависимости от фазы диск звезды менял не размер, а форму, становясь то вытянутым, то сжатым, словно разные участки звезды пульсировали по-разному (то же обнаружилось у звезды Миры Кита) [3]. Этого и следовало ожидать, если, как предполагалось в [2], колебания яркости цефеид вызваны не пульсацией, а орбитальным движением, придающим разную скорость лучам света. В итоге интенсивность и частота света периодически меняются, подобно нестабильной частоте следования вагонов трамваев или метро при неравенстве их скоростей. А мнимые колебания формы и размеров звезды вызывает уже её осевое вращение, приводящее к размытию диска.

    Так, если луч от левого края звезды M опережает лучи правого N, то при орбитальном движении звезды вправо её диск сожмётся вдоль направления движения. В противоположной точке орбиты звезда, смещаясь влево, напротив, растянется (рис. 2). Если же орбита видится не с ребра, а под углом, ось звезды наклонена к лучу зрения, а частота вращения её слоёв меняется по широте, то колебания формы звезды приобретают ещё более сложный вид.

    Во время интерференционных наблюдений цефеид обнаружилась и другая загадка: некоторые из них, к примеру, ту же Полярную, окружала странная кольцевая оболочка-кокон, которая в 2-3 раза превосходила размерами саму звезду, раз в 20 уступая ей в яркости. Природа и стабильность этих “коконов” неясна. Но такой кольцевой след вполне может оставить спутник, который, вращаясь вокруг главной звезды, и вызывает её вспышки [2]. При достаточной скорости вращения изображение спутника может настолько размыться, что растянется вдоль всей его орбиты и предстанет пред нами в виде сплошного светящегося кольца или эллипса, окружающего главную звезду (рис. 3). У Полярной полное размытие спутника возникнет в том случае, если разность времён хода T= 2LωR/C² превышает орбитальный период P Полярной, составляющий 4 дня. Расстояние L/C до Полярной в световых годах составляет 430 лет, что в 40000 раз больше её орбитального периода. Значит, для того чтобы произошло кольцевое размытие, спутнику достаточно иметь окружную скорость ωR> C/2·40000≈ 4 км/с. Так что размытие вполне возможно: даже наше Солнце имеет на экваторе скорость 2,3 км/с.

    Подобные кольца наблюдали не только у цефеид, но и вокруг других звёзд, хотя астрономы склонны приписывать их действию гравитационных линз, игнорируя многие противоречия. Эти кольца редко замкнуты и чаще имеют форму узкого серпа. Если структуры созданы "размазанным" вдоль орбиты изображением звезды, то их вид определяется степенью размытия T/P – соотношением разности времён хода T и периода P. Изображения звёзд с большим орбитальным периодом (в годы) вряд ли растянутся вдоль всей орбиты, и такие звёзды изобразятся в виде серпов, дуг или штрихов (рис. 4). (Примерно та же картина складывается при съёмках звёздного неба. Звёзды, движущиеся по кругу за счёт вращения Земли, предстают на фотографиях, в зависимости от времени выдержки, в виде штрихов, дуг или замкнутых колец, кстати, также окружающих Полярную звезду. Длительность экспозиции играет здесь примерно ту же роль, что время задержки T при размытии звезды, а P= 1 сут.)

    В форме таких дуг, штришков иногда видны и объекты, имеющие вместо одного несколько отдельных изображений. Такое размножение числа изображений тоже пытались связать с гипотетическими гравитационными линзами и чёрными дырами. Но, как говорилось [2], звезду можно видеть сразу в нескольких точках её орбиты и в том случае, если испущенный ею в разное время и с разной скоростью свет приходит к нам одновременно (как если бы при съёмках движущейся звезды мы делали на одном кадре несколько экспозиций). Тот же эффект с учётом вращения звезды приведёт к размытию каждого точечного изображения в дугу, штришок, вытянутый вдоль орбиты (рис. 4.д). Такой вид имеет объект 0024+1654.

    Стоит упомянуть, пожалуй, другой космический курьёз, снова поставивший в тупик космологию. В туманности Андромеды астрономы нашли странное кольцо из сотен одинаковых красных звёзд, а внутри него – кольцо поменьше, состоящее уже из синих звёзд [3]. Учёные не могут понять причину столь густого скопища звёзд. И снова выход даёт предположение о том, что в действительности там только две звезды – синяя и красная, вращающиеся возле общего центра масс O по эллиптическим орбитам (рис. 5). Именно это вращение и размножает их изображения на тысячи отдельных, видимых сразу и словно нанизанных на орбиту. Не зря оба кольца лежат в одной плоскости – это общая плоскость их орбиты.

    Часто вытянутые формы обнаруживают с помощью радиоинтерферометров. Так, у объекта SS 433, обсуждавшегося ранее [2], удалось выявить структуру, напоминающую два противоположно направленных выброса. Их приняли за симметрично разлетающиеся струи газа. Но если SS 433 – это просто двойная звезда, то выбросы представляют собой, по-видимому, два размытых вдоль орбит изображения этой пары звёзд (рис. 6). Не зря “выбросы” движутся, меняя своё направление с тем самым 164-дневным периодом, с которым, судя по кривой лучевых скоростей и блеска, происходит орбитальное движение пары звёзд в системе SS 433. Заметим, что полученные конфигурации схожи с экзотичными формами галактик, в которых спиральные рукава отходят не от ядра, а от окружающего его кольца, словно в значке § (рис. 6.б.в), или, выйдя из ядра, петлёй загибаются обратно (рис. 6.г). Поэтому не исключено, что столь странные формы рукавов галактик – тоже иллюзия, созданная их вращением. Ту же иллюзорную природу могут иметь светящиеся выбросы, джеты, хвосты, перемычки галактик [4], если это их следы вдоль орбиты. Недаром чаще всего эти структуры встречаются у двойных галактик, наподобие парных звёзд, кружащих возле общего центра S (рис. 7).

    Поскольку речь зашла о галактиках, пора перенестись в более высокие сферы и поговорить о вращении не отдельных звёзд, а целых галактик с их почти сферичными ядрами. В [2] было отмечено, что, вероятно, именно вращение ядер вкупе с эффектом Ритца создаёт у галактик красное смещение, описываемое законом Хаббла. Вращательное ускорение ядра придаёт разную скорость лучам света, отчего по мере их движения задние гребни волн всё более отстают от передних: длина волны с расстоянием нарастает, подобно интервалам в цепи трамваев, идущих с разной скоростью. Но говорилось, что должно существовать и синее смещение, которого мы не наблюдаем лишь по причине непрозрачности ядер для света. Однако для радиоизлучения ядра галактик до некоторой степени прозрачны. Не потому ли наблюдения неба, галактик в радиолучах преподносят астрономам особенно много сюрпризов?

    Так, рассматривая обычную галактику, мы видим лишь ближние участки её ядра, в которых ускорение направлено от нас, и потому эффект Ритца приводит к спаду частоты f и яркости света, испущенного ядром (рис. 7). Но перенесёмся на дальнюю сторону ядра, где направленное к нам ускорение ведёт к усилению частоты и яркости излучения. Энергия идущего с невидимой стороны радиоизлучения исчезающе мала в сравнении с энергией света видимой стороны. Но ситуация кардинально меняется для далёких галактик. По закону Хаббла с удалением их яркость и частота в оптических лучах постепенно падает. Но в радиолучах, идущих с обратной стороны, яркость и частота излучения должны, напротив, расти по мере удаления. Поэтому дальние галактики мы бы восприняли скорее как источники радиоизлучения. И такие радиогалактики действительно найдены в космических далях!

    На определённом расстоянии от нас эффект Ритца и синее смещение могут стать для радиоизлучения галактик столь велики, что кроме роста яркости они вызовут и сильный сдвиг частоты излучения и переведут его из радиодиапазона в оптический и даже в гамма-диапазон. Поэтому БТР предсказывает мощные источники не только радио- и оптического, но и гамма-излучения, реально открытые. Нельзя сказать точно, на каком расстоянии такой эффект проявится, поскольку в БТР постоянная Хаббла, находимая по формуле H=V²/RC (где V – окружная скорость ядра галактики, R – его радиус), и её принятое значение в 55-75 (км/с)/Мпк имеет лишь среднестатистический смысл. Значение Н слегка варьирует не только для разных галактик, но даже в пределах одной галактики. Чем ближе к её центру O, тем быстрей вращение и тем выше значение H с соответствующим сдвигом частоты и яркости. Из-за непрозрачности ядер для света это малозаметно, но у всепроницающих радиоволн эффект вызовет заметный рост интенсивности. Думается, это, а не какая-то загадочная активность ядер, и делает их центры мощными источниками радиоизлучения. Тот же механизм концентрации радиоизлучения по эффекту Ритца должен работать и в таких мощных радиоисточниках как квазары, отождествляемых с активными ядрами галактик. Ибо квазары, как было выяснено [2], имеют, подобно сердцевинам ядер, малые размеры и большие скорости вращения.

    Подобно тому как вертящаяся звезда создаёт размытое вдоль направления полёта изображение, ещё более быстрые сердцевины ядер галактик порождают сверхвытянутые структуры. В итоге у галактик должны наблюдаться два длинных выброса, исходящих из ядра в противоположных направлениях и образованных “отстающим” и “опережающим” краями ядра. И такие веретёновидные выбросы – самое обычное дело, особенно для радиогалактик [4]. Так что “выбросы” эти – не более чем размытые изображения ядер, растянутые вдоль линии движения галактики. Огромные скорости "выбросов", находимые по эффекту Доплера – такая же оптическая иллюзия, как и сами выбросы, ибо основной вклад в сдвиг частоты в этом случае должен вносить эффект Ритца. Наука не знает источников энергии, способных придать выбросам гигантские скорости и сгенерировать мощное радиоизлучение ядер. Поэтому напрашивается вывод, что активность ядер, взрывы галактик иллюзорны, подобно взрывам новых звёзд. Если ядро содержит достаточно яркий объект, скажем сверхновую, его изображение может размножиться за счёт вращения ядра. Тогда вдоль линии “выброса” будут видны несколько ярких пятен. Вот почему изображение “выброса” нередко разбивается на отдельные группы пятен и точек (рис. 7.а). Может раздвоиться и изображение целой галактики, движущейся по орбите. Так же нередко двоятся и троятся изображения квазаров и радиогалактик. Поэтому нередко вместо одного их изображения наблюдают два, соединённые выбросом-перемычкой (рис. 7.б,в). Тогда говорят о двойном радиоисточнике [4,5].

W