Тёмная материя как идеальный пример «Лажевого пузыря» надувавшегося 90+ лет. Часть 1 - введение.

[anton_lipovka]

Тёмная материя как идеальный пример «Лажевого пузыря» надувавшегося 90+ лет.
Часть 1 - введение.

Как вы знаете, примерно полтора года тому назад мною была закончена рукопись статьи в которой было показано, что для объяснения аномальных кривых вращения галактик тёмная материя (ТМ) не нужна. За 90+ лет прошедших с момента обнаружения аномалий в движении небесных тел (впервые они были обнаружены в 1922 году – см. вики), выросло не одно поколение астрофизиков и просто физиков, прилежно исследующих ТМ всю свою жизнь. Поскольку речь идёт о сломе этой самой "всей жизни", налицо образовался идеальный конфликт интересов и в одиночку свернуть эту глыбу весьма затруднительно, но об этом позже – во второй части, а сейчас по сути проблемы максимально популярным языком.
В самом начале такие аномалии наблюдали в оптические телескопы (т.е. речь шла только о звёздах как «пробных телах»). Честно говоря там не требовалось сильно много этой самой ТМ, всё можно было (как это и подразумевали первооткрыватели) списать на обычную тёмную барионную материю. Однако с развитием радиоастрономии стало возможным наблюдать газ в линиях молекул и в линии 21 см нейтрального водорода. Именно тогда и посыпались открытия безумных кривых вращения для внешних частей дисков галактик, наблюдаемых в радио и простирающихся на сотни килопарсек (один парсек = 3 световых года). Картинку см. например здесь.
Ну да, выглядит убойно – газ далеко от центра галактики крутится со страшной скоростью (верхняя кривая) невзирая на предписания Кеплера (нижняя кривая). Вроде ясно должно быть, что если мы измеряем скорость газа, то и свойства надо брать газа, а не звёздной компоненты, которая в самом деле только грав. потенциалом и связана. Однако в этом месте произошёл сбой, точнее классический «срыв интерпретации». Именно: решили описывать газ гидродинамическими (ГД) уравнениями забыв при этом, что ГД подход имеет серьёзные ограничения. Как результат – с водой выплеснули и ребёнка, т.е. поскольку гидродинамика для очень разреженного газа не работает, влияние кинетики газа на кривые вращения спроецировалось в нуль.

Лирическое отступление. Как получаются уравнения ГД:

Открываем Х том теор.физики Лифшиц - Питаевский «Физическая Кинетика» параграф 5.

Кинетическое уравнение для одного сорта частиц есть:

Интегрирование по импульсу может быть выполнено только в предположении, что все параметры системы, - такие как плотность, скорости, температура и т.д. – мало изменяются на расстояниях порядка характерной длины свободного пробега частицы l_fp , т.е. характерная длина для системы L_k >> l_fp . Только в этом случае мы получим уравнение непрерывности:

Другие уравнения ГД получаются так же из кинетических уравнений интегрированием, но после домножения оных на импульс или энергию. При этом возникают такие же самые ограничения (необходимые для выполнения интегрирования) поэтому дальнейшее мы опустим, поскольку ничего нового там для нас нет. Упомяну только, что получающееся таким образом уравнение Эйлера используется затем для получения уравнения Бернулли P= kT + (mv^2) /2 широко применяемое в литературе. Однако если Эйлер не работает, то и писать выражения для турбулентного давления как P= mv^2 - не совсем хорошо. но об этом позже.

Итак, наиболее важно здесь то, что уравнения ГД могут быть выведены (могут применяться) только в случае если

Что налагает серьёзное ограничение на применимость ГД подхода. Ограничения метода ГД давно известны, однако ни у кого не ёкнуло и не зачесалось – народ зажмурившись брал ГД коды из интернета и применял их в области, где они заведомо не применимы, т.е. для сверх-разреженного газа. Приведу классический пример - ГД код FLASH, написанный для симуляции ядерных вспышек на поверхности нейтронных звёзд (плотности атмосферы 10²⁵ частиц в кубике) был без тени сомнения применён для расчёта гидродинамики межзвёздного газа с плотностями 10^-3 частиц в кубике. (см. разбор этой статьи ниже). При этом рисовались красивые картинки, шли публикации в престижных журналах, лажевый пузырь надувался, а бюджетные деньги пилились.

Что следовало сделать с самого начала? Вариантов много, укажу два очевидных.
1) (сложный) применять непосредственно кинетические уравнения а не ГД.
2) (простой) получить работающие уравнения, лишённые указанных недостатков (что я и сделал).

Кратко вывод интересующих нас уравнений:
Начнём, как и в случае ГД подхода, с кинетических уравнений.


Для того, чтобы получить уравнение (2), мы должны были предположить, что везде в газе выполняются условия (3).  Однако во-первых это не так, т.е.  (vf) изменяется сильно на длине свободного пробега, так что мы не имеем права усреднять по импульсам. А во-вторых нас интересует кривая вращения, т.е. глобальные движения газа, и вовсе не интересует мелкомасштабные турбулентные движения. В этом случае мы можем усреднить (1) по объёму, выкинув мелкомасштабные движения и сделав уравнения не чувствительными к ограничениям (3):

Первый член даёт dm/dt , где m есть масса внутри объёма интергирования. Второй член может быть преобразован в  , так что окончательно мы имеем

Это хорошо известное уравнение диффузии, которое не имеет ограничений присущих ГД подходу и может быть применено для расчёта крупномасштабных движений газа (кривых вращения), что я и сделал.

В заключение первой части приведу кратко суть моей работы:

Показано, что общепринятое мнение о незначительности вклада кинетики газа в образование крупномасштабных потоков газа (кривых вращения) ошибочно. Оно было основано на численных симуляциях гидродинамики разреженного газа вне области применимости ГД подхода. Учитывая тот факт, что нас (в случае расчёта кривых вращения) не интересуют мелкомасштабные турбулентные течения, предлагается прежде чем выводить уравнения ГД из кинетических уравнений - сначала усреднить эти уравнения по объёму (сделав их нечувствительными к мелкомасштабным турбулентным движениям) и только после этого интегрировать по импульсам. В результате мы приходим не к уравнениям ГД, а к уравнениям диффузии, которые не связаны ограничениями характерными для ГД подхода и могут быть применены для случая сильно разреженного газа.

В качестве доказательства, из измеренных кривых вращения для двух галактик (видимых с ребра) используя уравнения диффузии расчитаны плотности газа. Совпадение с наблюдаемыми плотностями идеальное, что доказывает правильность предположения.

Продолжение следует.