변화하는 빛의 속도를 가진 우주 모델. QSO 관측 데이터와의 비교.
장피에르 피에트
및 모리스 비톤
(우주 천문학 연구소. 시폰의 경로. 13012. 마르세유)
물리학 편지 A, 제4권, 번호 23(1989) 2201-2210
요약:
이전 논문에서의 게이지 불변성에 대한 보충 내용 이후, 우리는 최근의 균일한 데이터 세트를 비교하여, QSO의 각도 크기와 루프의 곡률을 포함하는 데이터를, 우리의 새로운 게이지 우주 모델 또는 일반적으로 받아들여지는 프리드만 모델(q₀ = 1/2)에서 기대되는 것과 비교합니다. 새로운 게이지 모델이 빨간편이와 각도 크기 분포 및 곡률에 대해 더 나은 적합성을 제공함이 입증되었습니다. 이는 제트 형성에 관여하는 메커니즘에 대한 단순한 가정에 기반합니다.
- 서론
참조 [1] 및 [2]에서, 이하 논문 I 및 논문 II로 표기합니다. 우리는 이전에 모든 물리 상수가 자유롭게 되어 있는 우주 모델을 개발했습니다. 따라서 이러한 상수를 편리하게 연결하기 위해 새로운 물리 법칙, 즉 게이지 법칙을 도입해야 했습니다:
c(빛의 속도), G(중력), h(플랑크 상수), mₑ(전자 질량), mₚ, mₙ(양성자 및 중성자 질량). 먼저 일반 상대성 이론이 G와 c의 절대적 일정성을 요구하지 않으며, 오직 G/c²(장 방정식의 아인슈타인 상수)의 절대적 일정성만 요구함을 보여주었습니다. 이는 첫 번째 연결 관계를 제공했습니다. 다른 관계는 기하학적 고려에서 나왔습니다. 우리는 줄리안 길이, 슈바르츠실트 길이 및 콤판 길이가 스케일 매개변수 R(t)의 변화를 따르는 특성 길이를 가정했습니다.
이러한 새로운 물리 법칙을 결합하여 다음 관계를 얻었습니다:
(1)
(2) mₚ = mₙ (핵자 질량)
»
R(3)
h
»
R 3/2
(4)
G
»
1/R
(5)
V (속도)
»
R⁻¹/²
(6)
r
»
1/R ²
또한, 우리는 음의 곡률을 가진 유일한 우주 모델을 찾았으며, 이는 광자 또는 물질 또는 둘의 혼합으로 채워져 있으며, 압력이 비제로이며, 오직 하나의 법칙에 따릅니다:
(7a)
논문 II에서는 플랑크 상수의 장기적인 변화(시간에 비례함)로 인해 허블의 법칙을 다시 발견했습니다. 이는 확장 과정이 아닌 원인입니다. 이 일정한 에너지 모델에서 기하학적 고려에 따라 특정 에너지, 예를 들어 이온화 에너지가 R(t)와 같이 변화했으며, 이는 전자기학에 적용된 추가 게이지 관계와 일치했습니다. 이로 인해 적색편이 데이터를 통해 광원의 거리를 추론할 수 있었습니다. 이 거리는 중간 z 값에서 일반적인 프리드만 모델(q₀ = 1/2)에서 도출된 값과 거의 같았으며, 비율:
(7b)
는 z ≤ 2에서 5% 이내로 단위에 가까운 값을 유지했습니다.
- 게이지 불변성에 대한 짧은 보충
논문 I의 5절에서, 우리는 일부 기본 방정식(Vlasov, 슈뢰딩거, 맥스웰)이 제안된 게이지 관계에 불변임을 보여주었습니다. 볼츠만 충돌 연산자의 불변성도 보여주겠습니다.
이 방정식을 쓰겠습니다.
(8)
f는 속도 분포 함수, g는 충돌 시 두 입자의 상대 속도, b는 길이(충격 파라미터), e는 각도입니다. 무차원 변수를 도입합니다:
(9)
t = t* t; f = f* x; V = V* w; g = V* g; r = R* z Y = (Gm/R*) j; b = R* b
특성 속도 분포 함수는 다음과 같습니다:
(10)
논문 I에서 정의된 게이지 관계에 따라 Gm/R는 1/R와 같이 변화합니다. V는 1/R¹/²와 같이 변화합니다. m는 R와 같이 변화합니다(mV²는 일정). 에너지 kT는 일정합니다. 요약하면, f* » R*⁻³/²이며, 따라서:
(11)
이러한 차원 분석은 각각 1/t*, V*/R* = 1/R³/², 1/R³/²과 같이 변화하는 항을 제공하며, 이는 다시:
(12)
R* » t*²/³
를 의미하며, 볼츠만 연산자의 불변성을 나타냅니다.
- 관측적 검증.
이 짧은 주석 이후, 바르텔과 마일리[3]가 최근 발표한 134개의 QSO에 대한 라디오 데이터와 다양한 모델을 비교합니다. 그들은 먼 DSO가 가까운 것보다 더 작은 각도 크기, 더 큰 곡률 및 더 높은 광도를 가진다고 보여줍니다. 그러나 우리는 여기서 내재적 전력에 대해 논의하지 않을 것이며, 상대론적 제트 생성에 관여하는 물리적 메커니즘은 아직 명확히 이해되지 않았기 때문입니다.
라디오 소스의 각도 크기와 곡률에 대한 상황은 보다 단순해 보입니다. 이 두 가지 경우 모두 기하학적 특성이 주로 관련되어 있습니다. 그러나 중요한 시스템적 효과가 작용할 수 있음을 무시할 수 없으며, BM이 다룬 메커니즘에 대한 자세한 논의를 참조합니다. 간단히 말하면:
-
은하간 매질(MIG)과의 상호작용은 초기에 잘 정렬된 제트를 매우 효과적으로 방해하여, 넓고 흐트러진 루프를 형성합니다. 만약 이러한 효과가 특정 적색편이에서 각도 크기 분포에 중대한 영향을 미칠 수 있다면, BM은 더 큰 적색편이에서 관측된 루프의 더 큰 곡률을 설명하기 위해 더 복잡한 메커니즘을 제안했습니다.
-
위에서 언급된 모든 기본 메커니즘에서 가능한 진화적 효과, 심지어 아직 식별되지 않은 게이지 과정 포함.
-
관측적 편향, 예를 들어 잘 알려진 말무이스트 편향, 먼 QSO의 각도 크기를 과소평가하는 효과.
이 논문에서 이러한 잠재적 효과가 데이터에서 주요하지 않다고 가정합니다. 즉, 적색편이에 따른 각도 크기 및 곡률 분포는 다양한 우주 모델을 구분하는 좋은 테스트로 간주할 수 있으며, 새로운 게이지 모델이 이러한 분포에 더 나은 적합성을 제공함을 보여줍니다.
3a 각도 크기.
은하계 외부 물체의 각도 크기는 종종 우주 모델에 대한 강력한 테스트로 간주되었습니다. 하위 첨자는 발사 시기, 하위 첨자는 수신 시기를 나타냅니다. 빛이 원천의 끝에서 시간 t₁에 방출되면, 이 빛은 직선 경로를 따르므로 현재 관측자는 각도 크기 φ를 보존합니다. 따라서 어떤 모델이든 다음과 같이 일반적으로 쓸 수 있습니다:
(13)
여기서 D(t₁)는 원천의 선형 직경이고, d(t₁)는 그 거리입니다.
일반적인 프리드만 모델(q₀ = 1/2, 유명한 아인슈타인-데시터 모델)에서 D(t₁) = Dconstant, R(t₁) = R(t₂)/(1+z), d(t₁) = R(t₁) u이며, 다음과 같습니다:
(14)
그러므로, 적색편이에 따른 각도 크기의 변화는 다음과 같이 됩니다:
(15)
이 함수는 z = 1.25에서 최소값을 가지며, z와 함께 선형적으로 증가합니다.
이제 새로운 게이지 모델에서는 D(t₁) = D(t₂)/(1+z), R(t₁) = R(t₂)/(1+z), d(t₁) = R(t₁) u이며, 다음과 같습니다:
(16)
그리고 각도 크기는 다음과 같이 됩니다:
(17)
z가 무한대에 접근할 때, φ는 일정하게 유지되며, 이는 데이터와 정성적으로 일치하는 명백히 다른 행동입니다.
(18)
그림 18: 적색편이에 따라 95개의 "T", "D1" 및 "D2" 형태를 가진 확장된 원천(사각형) 및 "SSC" 형태를 가진 33개의 밀집 원천(별표)의 최대 각도 크기(LAS, 초각)를 로그 스케일로 표시합니다. 두 곡선은 본 논문에서 확장된 원천에 대해 유도된 게이지 모델(연속선) 및 아인슈타인-데시터 모델(점선)의 적합성을 나타냅니다. 4C41.17은 현재 알려진 가장 먼 은하이며, 4C74.26은 퀀자와 관련된 가장 큰 라디오 원천입니다.
두 모델이 데이터에 얼마나 잘 맞는지 정량적으로 비교하기 위해, f = f₀ f(z)로 쓰며, 여기서 f(z)는 각 모델이 위에서 예측한 특성 함수입니다. "최대 각도 크기"[BM 이후 LAS] 데이터와 f(z) 사이에 선형 회귀 분석이 수행되었습니다. 이는 전체 134개 QSO 샘플 또는 "T" 또는 "D₁" 형태를 가진 이중 루프 원천만 선택한 83개 QSO 샘플에 대해 수행되었습니다. 이는 "SSC" 및 "D₂" 형태의 원천을 제외하여 밀집 및 확장 원천 간의 다른 특성을 테스트하기 위한 것입니다. 회귀 결과는 다음과 같습니다. 모든 선형 계수 및 RMS 오차 바는 초각 단위로 표현됩니다.
- 아인슈타인-데시터 모델:
F = (28.8 ± 2.9) f(z) - (89.3 ± 20.1)
전체 샘플에 대해, 그리고
F = (31.3 ± 3.3) f(z) - (90.5 ± 20.8)
축소된 샘플에 대해.
- 게이지 모델:
F = (21.5 ± 2.11) f(z) - (19.1 ± 19.6)
전체 샘플에 대해, 그리고:
F = (24.3 ± 2.3) f(z) - (17.3 ± 19.8)
축소된 샘플에 대해.
새로운 게이지 모델이 데이터에 훨씬 더 나은 적합성을 제공함이 명백합니다. 샘플에 관계없이, 이 모델이 내포하는 중간 상수 항은 통계적으로 약간 유의미하며, 따라서 예상되는 0 값이 매우 가능합니다. 반면, 전통적인 모델에서는 샘플에 관계없이 상수 항이 통계적으로 매우 유의미하며, 그 값이 이론적으로 받아들일 수 없는 큰 음의 값입니다. 이는 데이터에 매우 강한 시스템적 효과가 작용하고 있다는 가정이 필요합니다.
3b. 곡률.
BM이 강조한 먼 QSO의 더 곡률이 큰 외관이 새로운 게이지 모델로 설명될 수 있음을 보여주겠습니다. 이는 다양한 시스템적 효과로 인한 결과가 아니라는 조건 하에 가능합니다. 새로운 모델에서는 우주 게이지 과정 동안 모든 에너지가 보존된다고 가정하므로, QSO의 중심의 회전 에너지 보존을 포함할 수 있습니다:
(19)
m » R, I » R³ 및 W » R⁻³/², W » 1/t » (1+z)³/²,
BM이 축소된 샘플에 대해 조정된 1차원 하한 법칙과 흥미로운 일치를 보입니다(곡률은 이 경우에만 정의됨), 즉:
(20)
그림 21: 83개의 확장된 원천(단일 "T" 및 "D1" 형태만)의 곡률(도)을 적색편이에 따라 로그 스케일로 표시합니다. 연속 곡선은 게이지 모델의 적합성을 나타내며, 과거의 각속도가 더 높았음을 나타냅니다. 점선은 바르텔과 마일리(BM)의 거듭제곱 법칙 적합을 나타냅니다.
.
이제, 최근 그레이버[5]의 분석에 기반하여 QSO의 엄청난 에너지 생산률을 담당하는 중심 엔진의 본질에 대해 간단한 설명을 제안합니다. 만약 우리는 그림(i)에서 플라즈마 덩어리가 QSO의 중심 엔진에서 지속적이거나 비지속적으로 자기 이중극 축을 따라 고속으로 방출된다고 받아들인다면, 그리고(ii) 이 축이 일반적으로 각운동량 축과 일치하지 않는다면, 우리는 "정원 스프링클러"와 유사한 모델을 마주하게 됩니다. 이 경우 제트는 아르키메데스 나선과 같은 형태로 구부러지며, MIG와의 상호작용이 무시할 수 있을 때까지 계속됩니다. 그리고 이 상호작용이 중심에서 어느 정도 거리에서 유의미해지면, 제트는 그 지점에서 확장을 멈추게 되어 곡률이 증가합니다. QSO 주변의 MIG 밀도가 구형으로 분포할 이유가 없기 때문에, 이러한 상호작용은 제트의 흔한 비대칭성과 전체 곡률에 대한 무작위 효과를 설명할 수 있으며, BM이 논의한 바와 같습니다.
결과적으로, QSO의 적색편이가 클수록 우주 게이지 과정으로 인해 각속도가 커지므로, 제트의 곡률도 커집니다.
- 결론.
우리는 134개의 라디오 QSO에 대한 균일한 데이터 세트에서 적색편이에 따른 각도 크기 및 곡률 분포에 최근에 강조된 특정 특징에 초점을 맞췄습니다. 흥미롭게도, 우리의 "변화하는 상수"를 가진 게이지 모델이 일반적인 아인슈타인-데시터 모델보다 이 분포에 더 나은 적합성을 제공함을 발견했습니다. 이는 (i) 관측된 추세(먼 QSO의 더 작은 각도 크기 및 더 큰 곡률)가 미래 관측에 의해 확인되어야 하며, (ii) 이러한 추세가 다양한 효과나 오류에 의해 지배되지 않아야 하며, (iii) 일부 메커니즘에 대한 단순한 가정이 사실임을 보장해야 합니다. 또한, 이 원천들의 내재적 전력에 대한 추가 조사가 필요하며, 게이지 모델이 관측된 추세를 더 잘 설명하는지 이해하기 위해 필요합니다. 즉, 먼 QSO의 광도가 가까운 QSO보다 훨씬 크다는 것입니다.
- 참고문헌.
[1] J.P. PETIT : 변하는 빛의 속도를 가진 우주 모델의 해석. 현대 물리학 편지 A, 제3권, 번호 16, 1988년 11월
[2] J.P. PETIT : 변하는 빛의 속도를 가진 우주 모델. 적색편이의 해석. 현대 물리학 편지 A, 제3권, 번호 18, 1988년 12월.
[3] P.D. BARTHEL & G. K. MILEY. 퀀자에서의 라디오 구조의 진화 : 원시 은하의 새로운 탐지기? - Nature Vol 333, 1988년 5월 26일.
[4] M.L. NORMAN, J.O. BURNS 및 M.E. SULKANEN : 주변 매질의 충격에 의해 은하 라디오 제트의 파괴, Nature 335 (1988) 146.
[5] H.D. GREYBER : 우주에서 강한 자기장의 중요성, Comments Astrophys. 13 (1989) 201.