Tworzenie sie ramion spiralnych w galaktykach

Szczególna i ogólna teoria względności. Zjawiska relatywistyczne.
slawekp
Użytkownik
Użytkownik
Posty: 24
Rejestracja: 14 cze 2018, o 08:11
Płeć: Mężczyzna
Lokalizacja: warszawa
Podziękował: 1 raz

Tworzenie sie ramion spiralnych w galaktykach

Post autor: slawekp »

Formowanie się ramion spiralnych w galaktykach

Dotychczas nie zostało wyjaśnione, dlaczego galaktyki spiralne mają taki kształt jaki mają. Chodzi dokładnie o przyczynę uformowania się ramion spiralnych. Postaram się wyjaśnić dlaczego tak się dzieje.
Możliwa przyczyna leży w rozszerzaniu się wszechświata, a dokładnie na puchnięciu przestrzeni wewnątrz galaktyk. Puchnięcie przestrzeni nie dotyczy jedynie przestrzeni międzygalaktycznej, lecz ogólnie przestrzeni, także tej wewnątrz naszego Układu Słonecznego i przestrzeni międzygwiezdnej. Podczas tego procesu zostaje zachowany moment obrotowy układów grawitacyjnych, w szczególności moment obrotowy galaktyki. Im dalej od środka galaktyki tym przyrost odległości między gwiazdą a centrum galaktyki jest większy w jednostce czasu ( prawo Hubble'a). Stosując prawo Hubble'a do typowej galaktyki spiralnej ( ok \(\displaystyle{ 100}\) tys lat świetlnych średnicy, czyli \(\displaystyle{ 30 kpc}\)) otrzymujemy wartość rzędu \(\displaystyle{ 1 km/s}\), z jaką rozszerza się galaktyka na granicy z przestrzenią międzygalaktyczną. Wziąwszy większy czas rzędu \(\displaystyle{ 3-4}\) mld lat, okazuje się, że gdyby nie kontrakcja grawitacyjna, przeciętna galaktyka w tym czasie zwiększyłaby swoje wymiary o ok \(\displaystyle{ 30\%}\).
Proste obliczenia wykazują, że przy rozszerzaniu się galaktyki przy jednoczesnym zachowaniu momentu pędu galaktyki, prędkość kątowa gwiazd maleje zgodnie ze worem :

\(\displaystyle{ dO=O\frac{1-R \cdot 2}{R+dR \cdot 2} }\)
gdzie: \(\displaystyle{ O}\)-prędkość kątowa gwiazdy w ruchu wokół centrum galaktyki, \(\displaystyle{ dO}\)- zmiana prędkości kątowej gwiazdy, \(\displaystyle{ R}\)-odległośc gwiazdy od centrum galaktyki, \(\displaystyle{ dR}\)-hubblowski przyrost odległości.

Gdy uwzględnimy zależność \(\displaystyle{ dR=HRdT}\)
gdzie: \(\displaystyle{ dT}\) – czas przyrostu odległości, \(\displaystyle{ H}\)- stała Hubble'a

otrzymamy:

\(\displaystyle{ dO=O(1-\frac{1}{1+HdT} \cdot 2)}\)

Czyli zmiana prędkości kątowej gwiazd wskutek efektu Hubble'a nie zależy od ich odległości od centrum galaktyki.

Również elementarna analiza wykazuje, że po wytrąceniu gwiazdy ze stabilnej orbity wokół centrum galaktyki przez efekt Hubble'a siła odśrodkowa jest mniejsza od siły grawitacji między odsuniętą gwiazdą a centrum galaktyki, czyli gwiazda doznaje przyspieszenia skierowanego do środka galaktyki. Przyspieszenie to niweluje częściowo efekt puchnięcia przestrzeni oraz zmniejsza efekt utraty prędkości kątowej.

\(\displaystyle{ F=GMm\frac{1-\frac{1}{1+HdT}}{R+dR} \cdot 2}\)

gdzie :
\(\displaystyle{ G}\) – stała grawitacji, \(\displaystyle{ M}\)-masa centralnej części galaktyki oddziałująca grawitacyjnie z gwiazdą, \(\displaystyle{ m}\)-masa gwiazdy, \(\displaystyle{ H}\)- stała Hubble'a, \(\displaystyle{ R}\)-odległość gwiazdy od centrum galaktyki, \(\displaystyle{ dR}\) – hublowski przyrost odległości

Siła jest tym mniejsza im dalej od centrum galaktyki leży gwiazda. Wynika stąd, że gwiazdy dalej leżące od centrum galaktyki tracą wskutek ekspansji przestrzeni większą część swojej prędkości kątowej w ruchu obrotowym galaktyki niż gwiazdy leżące bliżej centrum galaktyki. To powoduje powstanie charakterystycznych ramion galaktyk spiralnych.

Jeśli założymy, że rozszerzanie się wszechświata nie dotyczy jedynie przestrzeni międzygalaktycznej, lecz dotyczy po prostu przestrzeni, dojdziemy do konkluzji, że zarówno odległość Ziemia-Księżyc jak Ziemia-Słońce czy odległości między gwiazdami w galaktykach rosną. To może stanowić przesłankę do rozwiązania kolejnej zagadki. Chodzi o epoki lodowcowe na naszej planecie. Próba ich wyjaśnienia przez precesję osi Ziemi są niewystarczające, ale możliwe, że połączenie ich z cyklicznymi zmianami odległości Ziemia-Słońce, spowodowanymi efektem Hubble'a dla układu słonecznego oraz kontrakcją grawitacyjną, która na pewno skutecznie zapobiegła oddaleniu się Ziemi od Słońca ( w czasie \(\displaystyle{ 4}\) mld lat ta odległość wzrosłaby się o ok \(\displaystyle{ 40\%}\), co oczywiście nie miało miejsca właśnie ze względu na kontrakcję grawitacyjną). Kontrakcja na pewno powodowała cykliczne zmiany odległości Słońce-Ziemia ze względu na wielką bezwładność układu. Owe okresowe zmiany, gdyby zbiegały się z odpowiednim ułożeniem osi Ziemi mogły spowodować globalne zlodowacenia.

Pozdrawiam i proszę o uwagi
Ostatnio zmieniony 24 paź 2019, o 07:01 przez AiDi, łącznie zmieniany 1 raz.
Powód: Brak LaTeX-a, zapoznaj się z instrukcją https://matematyka.pl/viewtopic.php?t=28951 .
Awatar użytkownika
AiDi
Moderator
Moderator
Posty: 3841
Rejestracja: 25 maja 2009, o 22:58
Płeć: Mężczyzna
Lokalizacja: Warszawa
Podziękował: 45 razy
Pomógł: 702 razy

Re: Tworzenie sie ramion spiralnych w galaktykach

Post autor: AiDi »

slawekp pisze: 24 paź 2019, o 06:04 Możliwa przyczyna leży w rozszerzaniu się wszechświata, a dokładnie na puchnięciu przestrzeni wewnątrz galaktyk. Puchnięcie przestrzeni nie dotyczy jedynie przestrzeni międzygalaktycznej, lecz ogólnie przestrzeni, także tej wewnątrz naszego Układu Słonecznego i przestrzeni międzygwiezdnej.
Niestety to założenie nie jest zgodne ani z obserwacjami, ani z dokładnymi symulacjami. Wszechświat rozszerza się tylko w dużych skalach, na poziomie gromad galaktyk. Na poziomie galaktyk, czy Układu Słonecznego grawitacyjne związanie powstrzymuje elementy tych układów od ucieczki.
Również elementarna analiza wykazuje, że po wytrąceniu gwiazdy ze stabilnej orbity wokół centrum galaktyki przez efekt Hubble'a siła odśrodkowa jest mniejsza od siły grawitacji


Mówienie o sile newtonowskiej grawitacji i łączenie tego z rozszerzaniem się Wszechświata jest skazane na porażkę.W OTW grawitacja nie jest siłą, a rozszerzanie się oznacza istnienie tzw. czynnika skali w tensorze metrycznym. Spróbuj swoje rozważania przedstawić w języku OTW. Ja wiem, że astronomowie korzystają z przybliżenia newtonowskiego przy analizie rozwoju galaktyk, ale robią to tylko i wyłącznie dlatego, że efekty relatywistyczne (takie jak ekspansja metryczna) są do pominięcia.
Gdy uwzględnimy zależność \(\displaystyle{ dR=HRdT}\)
Stosujesz wzory wyprowadzone dla konkretnej geometrii FLRW do galaktyk, które nie mają geometrii FLRW. Musisz najpierw sobie galaktyki odpowiednio zamodelować, rozwiązać równania Einsteina i potem dopiero sprawdzić postać prawa Hubble'a. Używane w tym kontekście \(\displaystyle{ H}\) nie może być tym samym co \(\displaystyle{ H}\) ze standardowego modelu kosmologicznego. Geometrię FLRW wyprowadza się przy założeniu jednorodności i izotropowości rozkładu materii (plus dodatkowe założenia termodynamiczne). Galaktyki w oczywisty sposób tych założeń nie spełniają.
Jeśli założymy, że rozszerzanie się wszechświata nie dotyczy jedynie przestrzeni międzygalaktycznej, lecz dotyczy po prostu przestrzeni, dojdziemy do konkluzji, że zarówno odległość Ziemia-Księżyc jak Ziemia-Słońce czy odległości między gwiazdami w galaktykach rosną.
Tylko tak jak pisałem, założenie to nie jest ma podstaw ani obserwacyjnych ani teoretycznych. Ekspansji metrycznej się nie zakłada, ekspansję się wyprowadza! Występuje ona w bardzo konkretnych przypadkach. Zagadnienia dwóch, czy \(\displaystyle{ n}\) ciał przypadkami tymi nie są.

I stosuj proszę LateXa.
slawekp
Użytkownik
Użytkownik
Posty: 24
Rejestracja: 14 cze 2018, o 08:11
Płeć: Mężczyzna
Lokalizacja: warszawa
Podziękował: 1 raz

Re: Tworzenie sie ramion spiralnych w galaktykach

Post autor: slawekp »

Jasne, masz rację. To bardzo przybliżone rozważania. Niemniej chodzi mi jedynie o przedstawienie możliwej przyczyny utraty części prędkości obrotowej dla gwiazd w galaktyce w zależności od ich odległości od centrum galaktyki. OTW akceptuje zasadę zachowania momentu pędu :-). Masz rację, że w skali Układu Słonecznego grawitacja powstrzymuje ekspansję ( odległość Ziemia-Księzyc zwiekszałaby sie o ok 1 cm na rok, zwiększa się 3-4 cm, ale to raczej tłumaczy utrata pędu wskutek pływów ziemskicvh), to właśnie napisałem. Lecz na obrzeżach galaktyk grawitacja nie powstrzymuje jej już tak skutecznie i odpowiedni efekt może się pojawić. Jestem za cienki w uszach aby policzyć to dokładnie, byłem kiepskim studentem. Niemniej sam efekt Hubble'a może być przyczyną powstania ramion spiralnych, których pochodzenie nie jest dotychczas znane. Mój post to drobny przyczynek do rozważań na ten temat. Dzieki za uwagi.

Dodano po 4 minutach :
jeśli zaś chodzi o podstawy teoretyczne rozszerzania się wszechświata to nie zauważyłem, aby ktokolwiek wypowiadał się na temat rozszerzania sie przestrzeni w skali mikro. Odniosłem jednak wrażenie, ze większość opinii skłania się ku kreacji przestrzeni. A czemu miałoby to dotyczyć jedynie skali makro? Nie widze tu żadnej teoretycznej przyczyny. Natomiast efekt widoczny jest jedynie w skali makro ze wzgledu na siłe grawitacji lub inne, nieznane nam jeszcze zjawiska.
Awatar użytkownika
AiDi
Moderator
Moderator
Posty: 3841
Rejestracja: 25 maja 2009, o 22:58
Płeć: Mężczyzna
Lokalizacja: Warszawa
Podziękował: 45 razy
Pomógł: 702 razy

Re: Tworzenie sie ramion spiralnych w galaktykach

Post autor: AiDi »

slawekp pisze: 24 paź 2019, o 07:29 jeśli zaś chodzi o podstawy teoretyczne rozszerzania się wszechświata to nie zauważyłem, aby ktokolwiek wypowiadał się na temat rozszerzania sie przestrzeni w skali mikro.


Mój wykładowca się wypowiadał :wink: Plus ze dwie książki, plus parę fizyków w prywatnych rozmowach. Ale masz rację - to zagadnienie nie jest poruszane w wielu ogólnodostępnych źródłach.
Odniosłem jednak wrażenie, ze większość opinii skłania się ku kreacji przestrzeni.
"Kreacja przestrzeni" to co najwyżej słaby opis popularnonaukowy. Ekspansja metryczna oznacza, że tensor metryczny w odpowiednio dobranych współrzędnych jest postaci:
\(\displaystyle{ g= dt\otimes dt-a(t)^2dR\otimes dR}\)
tzn. występuje czynnik skali \(\displaystyle{ a(t)}\), oraz przy okazji skalar ekspansji układu linii świata obserwatorów współporuszających się jest dodatni. W praktyce oznacza to, że odległość dwóch ciał próbnych jest rosnącą funkcją \(\displaystyle{ t}\). Żadnej kreacji przestrzeni nie ma. Czasoprzestrzeń jest jedna, niezmienna i ustalona przez tensor metryczny.
A czemu miałoby to dotyczyć jedynie skali makro? Nie widze tu żadnej teoretycznej przyczyny.


Dlatego, że:
- ekspansja pojawia się w geometrii FLRW, której podstawowymi założeniami są izotropowość i jednorodność rozkładu materii, a Wszechświat jest taki w skali makro, a nie mikro
- wszelkie rozwiązania równań Einsteina dotyczące sytuacji jakie widzimy w skali mikro nie zawierają ekspansji

No i jeszcze parę innych rozważań teoretycznych i symulacji, które gdzieś mi przed oczami mignęły jak się uczyłem kosmologii, ale niekoniecznie jestem w stanie je teraz znaleźć bo to dawno było.
Natomiast efekt widoczny jest jedynie w skali makro ze wzgledu na siłe grawitacji lub inne, nieznane nam jeszcze zjawiska.
Ze względu na lokalne związanie grawitacyjne układów w skali mikro. Czyli jednak widzisz przyczynę :wink: Zagadnienie to jest w pełni rozumiane, nie trzeba niczego nieznanego szukać.
slawekp
Użytkownik
Użytkownik
Posty: 24
Rejestracja: 14 cze 2018, o 08:11
Płeć: Mężczyzna
Lokalizacja: warszawa
Podziękował: 1 raz

Re: Tworzenie sie ramion spiralnych w galaktykach

Post autor: slawekp »

Z tą jednorodnością rozkładu materii we wszechświecie to bym jednak nie przesadzał. Natomiast brak ekspansji w równaniach Einsteina dla mikroskali rodzi pytanie o skalę poprawek jaka by z nich wynikała. Ale tu sobie moge jedynie pogdybać a i to bez sensu :-) dzięki jeszcze raz .
Niemniej sam mechanizm powstawania ramion w galaktykach spiralnych jest możliwy ( pod warunkiem istnienia ekspansji w skali lekkopółsredniej). Na skraju galaktyki kompensacja grawitacyjna ekspansji może zawodzić i wtedy moja teza jest poprawna. Poza tym zwróć uwagę na problem granicy - gdzie zachodzi ekspansja a gdzie nie zachodzi. Nie sądzę aby zjawisko to miało krytyczne kryteria fizyczne, raczej jest powszechna, a to, ze efektu nie obserwujemy nie znaczy, że go nie ma. Może byc to tak jak z poceniem się ciała w chłodny dzień - kropelek potu nie widać, ale wody ubywa :-). Byc może metryka się nie zmienia, lecz jest to wynik równowagi sił - jak to że stół nie zapada sie w ziemię mimo, ze działa na niego siła ciążenia.
ODPOWIEDZ