космологическая модель с переменной скоростью света
Космологическая модель с калибровкой с переменной скоростью света. Сравнение с наблюдательными данными по квазарам.
Жан-Пьер Петит и Морис Витон (Лаборатория космической астрономии. Транше дю Сифон. 13012. Марсель)
Modern Physics Letters A, Том 4, № 23 (1989) стр. 2201-2210
Аннотация:
...После дополнения к предыдущим статьям о калибровочной инвариантности оператора столкновений Болцмана, мы сравниваем недавний однородный набор данных по радио-квазарам, включающий угловые размеры и кривизну лобов, с тем, что ожидается из нашего нового космологического калибровочного модели или наиболее часто принимаемой модели Фридмана с q₀ = 1/2. Показано, что новая калибровочная модель дает значительно лучшее соответствие распределению угловых размеров в зависимости от красного смещения, а также кривизны, благодаря простым предположениям о механизмах, участвующих в формировании струй.
- ВВЕДЕНИЕ
...В ссылках [1] и [2], далее статья I и статья II соответственно, мы ранее разработали космологическую модель, в которой все так называемые константы физики были сделаны свободными, так что мы должны были ввести новые физические законы, законы калибровки, чтобы удобно связать эти константы:
c (скорость света), G (гравитация), h (постоянная Планка), mₑ (масса электрона), mₚ, mₙ (масса протона и нейтрона). Сначала было показано, что теория относительности не требует абсолютной постоянства G и c, но только абсолютной постоянства отношения G/c² (постоянная Эйнштейна уравнения поля). Это дало первую связывающую связь. Другая пришла из геометрических соображений: мы предположили, что характерные длины, такие как длина Джинса, длина Шварцшильда и длина Комптона, следуют изменению параметра масштаба R(t).
Сочетая эти новые физические законы, мы получили следующие соотношения: (1)
(2)
mₚ = mₙ (масса нуклона) » R
(3)
h » R³/²
(4)
G » 1/R
(5)
V (скорость) » R⁻¹/²
(6)
ρ » 1/R²
Кроме того, мы нашли уникальную космологическую модель с отрицательной кривизной, заполненную фотонами или веществом или их смесью, с ненулевым давлением, и подчиняющуюся только одному закону: (7a)
...В статье II мы восстановили закон Хаббла, вызванный долгосрочной вариацией постоянной Планка (которая оказалась меняться как t) и не из-за процесса расширения. В этой модели с постоянной энергией геометрические соображения изменили некоторые характерные энергии, такие как энергия ионизации как R(t), и это оказалось согласовано с дополнительными соотношениями калибровки, примененными к электромагнетизму. Затем оказалось возможным вывести расстояния источников света из данных красного смещения. Они оказались достаточно близкими, для умеренных значений z, к классическим значениям, полученным из модели Фридмана с q₀ = 1/2, поскольку отношение:
(7b)
остается близким к единице в пределах 5% для z ≤ 2.
- КОРОТКОЕ ДОПОЛНЕНИЕ О КАЛИБРОВОЧНОЙ ИНВАРИАНТНОСТИ
...В статье I, раздел 5, мы показали, что некоторые фундаментальные уравнения (Власова, Шредингера, Максвелла) инвариантны относительно предложенных калибровочных соотношений. Покажем, что оператор столкновений Болцмана также инвариантен.
Запишем это уравнение. (8)
...f - функция распределения скоростей, g - относительная скорость двух частиц при встрече, b - длина (параметр столкновения), e - угол. Введите безразмерные переменные, следующим образом: (9)
t = t* t ; f = f* x ; V = V* w ; g = V* g ; r = R* z
Y = (Gm/R*) j ; b = R* b
Характеристическая функция распределения скоростей: (10)
...Следуя калибровочным соотношениям, как они определены в статье I, Gm/R* меняется как 1/R*. V* меняется как 1/R¹/². m меняется как R* (mV² является постоянной). Энергия kT постоянна. В общем f * » R*⁻³/², и поэтому: (11)
...Такой анализ размерности дает члены, меняющиеся соответственно как 1/t*, V*/R* = 1/R³/², 1/R³/², что снова подразумевает: (12)
R* » t*²/³
и, следовательно, инвариантность оператора Болцмана.
- НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ ТЕСТЫ.
...После этого краткого отступления перейдем к сравнению различных моделей и радио-данных по 134 недавно опубликованным квазарам Бартеля и Мили [3, далее BM], в которых они показывают, что удаленные DSO имеют меньшие угловые размеры, большие изгибы и более высокую яркость, чем объекты вблизи. Однако, мы не собираемся обсуждать здесь данные о внутренней мощности, поскольку физические механизмы, участвующие в генерации релятивистских струй, еще не полностью поняты.
...Ситуация кажется, кажется, более простой по поводу углового размера и кривизны радиоисточников, поскольку геометрические свойства в основном играют роль a priori в обоих случаях, хотя мы не можем игнорировать, что могут быть значительные систематические эффекты, и мы направляем читателя к подробному обсуждению BM о детальных механизмах, вовлеченных. В общем:
-
взаимодействие с межгалактической средой (MIG) может эффективно нарушать изначально направленные струи, приводя к образованию больших, турбулентных лобов, меньшей протяженности: если предположить, что такие эффекты могут значительно изменить распределение угловых размеров при данном красном смещении, были привлечены более сложные механизмы BM для объяснения более сильной кривизны лобов, наблюдаемой при большом красном смещении.
-
возможные эволюционные эффекты во всех элементарных механизмах, участвующих выше, включая неидентифицированные процессы калибровки.
-
наблюдательный смещение, такое как хорошо известный Malmquist, вносящий занижение угловых размеров для удаленных QSO.
...Теперь предположим в этой статье, что эти потенциальные эффекты не доминируют в данных, то есть что распределение углового размера и кривизны в зависимости от красного смещения может быть рассмотрено как хороший тест для различения различных космологических моделей, и покажем, что новая калибровочная модель дает лучшее соответствие этим распределениям, чем классические модели.
3a Угловой размер.
...Угловой размер экзагалактических объектов часто рассматривался как мощный тест для космологических моделей. Пусть индекс 1 связан с эпохой излучения, а индекс 2 с эпохой приема: так как свет, излучаемый краями источника в момент t₁, следует радиальным траекториям, угловой размер f сохраняется для современного наблюдателя, так что мы можем написать классически, независимо от модели:
(13)
где D(t₁) - линейный диаметр источника, а d(t₁) - его метрическое расстояние.
В классической модели Фридмана с q₀ = 1/2 (известной как модель Эйнштейна-де Ситтера)
D(t₁) = D constant
R(t₁) = R(t₂) / (1 + z)
и d(t₁) = R(t₁) u, где:
(14)
и, следовательно, возникает некоторый парадокс, поскольку угловой размер подчиняется:
(15)
Эта функция имеет минимум при z = 1,25, а затем стремится к линейному росту с z.
Теперь, с новой калибровочной моделью, у нас есть
D(t₁) = D(t₂)/(1+z),
R(t₁) = R(t₂)/(1+z)
и d(t₁) = R(t₁) u также
но с:
(16)
и угловой размер подчиняется:
(17)
Когда z стремится к бесконечности, f стремится к константе, явно другой характер и качественно согласуется с данными.
(18)
Рис. 18: Самый большой угловой размер (LAS, в угловых секундах), на логарифмической шкале в зависимости от красного смещения для 95 расширенных источников с морфологиями "T", "D1" и "D2" (квадраты) и 33 компактных источников с морфологией "SSC" (звездочки). Две кривые представляют подгонку модели калибровки (сплошная линия) и модели Эйнштейна-де Ситтера (штриховая линия), полученные для расширенных источников в этой статье. Три дополнительных радиоисточника с очень большой протяженностью показаны для сравнения. 4C41.17 - самая удаленная галактика, известная на данный момент, 4C74.26 - самый большой радиоисточник, связанный с квазаром.
...Для количественного сравнения качества подгонки двух моделей к данным, запишем f = f₀f(z), где f(z) - это характеристическая функция, предсказанная выше каждой моделью. Были выполнены линейные регрессии между f(z) и данными "самого большого углового размера" [LAS после BM], как для полного набора из 134 QSO, так и для уменьшенного набора из 83 QSO, в котором были выбраны только источники с двусторонними лобами, то есть те, у которых морфология "T" или "D1", определенная BM, исключая ядра с резким спектром или "SSC" и источники с односторонними лобами или "D2", чтобы проверить, возможно, различные свойства компактных и расширенных источников. Результаты регрессий следующие, все линейные коэффициенты и их ошибки RMS выражены в угловых секундах:
- с моделью Эйнштейна-де Ситтера:
F = (28,8 ± 2,9) f(z) - (89,3 ± 20,1)
для полного набора, и
F = (31,3 ± 3,3) f(z) - (90,5 ± 20,8)
для уменьшенного набора.
- с моделью калибровки:
F = (21,5 ± 2,11) f(z) - (19,1 ± 19,6)
для полного набора, и:
F = (24,3 ± 2,3) f(z) - (17,3 ± 19,8)
для уменьшенного набора.
...Ясно, что новая калибровочная модель дает значительно лучшее соответствие данным, потому что, каким бы ни был набор, умеренный постоянный член, который она подразумевает, статистически незначим, и, следовательно, ожидаемое нулевое значение очень вероятно. Ситуация полностью противоположна классической модели, каким бы ни был набор, потому что постоянный член статистически сильно значим, и его большая, отрицательная величина не приемлема с теоретической точки зрения, если не предположить, что в данных присутствуют очень сильные систематические эффекты, как те, что подозревались выше.
3b. Кривизна.
...Покажем также, что более изогнутый, искаженный вид удаленных QSO, отмеченный BM, может странным образом объясняться новой калибровочной моделью, при условии, что это не артефакт, вызванный различными систематическими эффектами. Поскольку в новой модели предполагается, что все энергии сохраняются во время космического калибровочного процесса, мы можем включить сохранение энергии вращения ядра QSO, излучающего струи: (19)
Поскольку m » R, I » R³ и W » R⁻³/² W » 1/t » (1 + z)³/², в странным согласии с однонаправленной нижней законной подгонкой, выполненной BM на уменьшенном образце (поскольку кривизна определена только в этом случае), а именно:
(20)
Рис. 21: Кривизна (в градусах) на логарифмической шкале в зависимости от красного смещения для 83 расширенных источников с морфологиями "T" и "D1" только, для которых она определена. Сплошная кривая соответствует подгонке модели калибровки, указывая, что угловые скорости были выше в прошлом, в то время как штриховая линия представляет подгонку по закону мощности Бартеля и Мили (BM).
...Теперь предложим простое объяснение, ссылаясь на недавний анализ Грейбера [5] о природе центральных двигателей в QSO, ответственных за их огромные скорости производства энергии: если мы примем факт (i), что пакеты плазмы выбрасываются с большой скоростью из центрального двигателя, непрерывно или нет, вдоль магнитного дипольного оси QSO, и (ii), что эта последняя обычно не совпадает с осью момента импульса, то мы сталкиваемся с моделью, похожей на вращающийся садовый полив, в которой струи будут изгибаться в виде спирали Архимеда, пока взаимодействие с MIG остается пренебрежимо малым. И даже если это взаимодействие становится значительным на определенном расстоянии от ядра, струи перестанут расширяться там, вызывая увеличение кривизны. Поскольку нет причин, почему плотность MIG должна быть сферически распределена вокруг QSO, такие взаимодействия могут объяснить часто наблюдаемые асимметрии в их струях, а также случайные эффекты на общей кривизне, как обсуждалось BM.
...В результате, чем выше красное смещение QSO, тем выше его угловая скорость из-за космического калибровочного процесса, и, следовательно, тем больше кривизна его струй.
- ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
...Мы сосредоточились на конкретных особенностях, недавно выявленных в распределении угловых размеров и кривизны в зависимости от красного смещения для однородного набора из 134 радио-QSO. Мы нашли интересно, что наша калибровочная модель с "переменными константами" дает лучшее соответствие этим распределениям, чем классическая модель Эйнштейна-де Ситтера, при условии (i) что наблюдаемые тенденции (меньшие угловые размеры и большие кривизны для удаленных QSO) будут подтверждены будущими наблюдениями, (ii) что эти тенденции не доминируются различными эффектами или артефактами, и (iii) что простые предположения, сделанные о некоторых механизмах, являются реальными. Кроме того, необходимы дополнительные исследования мощности этих источников, чтобы понять, позволяет ли калибровочная модель лучшее понимание наблюдаемых тенденций, то есть что яркость удаленных QSO значительно больше, чем у ближних.
- ССЫЛКИ.
[1] Ж.П. ПЕТИТ: Интерпретация космологической модели с переменной скоростью света. Modern Physics Letters A, Том 3, № 16, ноябрь 1988 г.
[2] Ж.П. ПЕТИТ: Космологическая модель с переменной скоростью света. Интерпретация красных смещений. Modern Physics Letters A, Том 3, № 18, декабрь 1988 г.
[3] П.Д. БАРТЕЛЬ и Г.К. МИЛЕЙ. Эволюция радио-структуры в квазарах: новый зонд протогалактик? - Nature Vol 333, 26 мая 1988 г.
[4] М.Л. НОРМАН, Дж.О. БАРНС и М.Э. СУЛКАНЕН: Воздействие ударных волн в окружающей среде на радио-струи галактик, Nature 335 (1988) 146.
[5] Х.Д. ГРЕЙБЕР: Важность сильных магнитных полей во Вселенной, Comments Astrophys. 13 (1989) 201.