Emil: Borise, mislim da temu kvazara bez SMCR previše kompliciramo.
1. Treba vidjeti da li postoje uvjeti u mirnim , stabilnim galaksijama, da oblaci
plina jednostavno izgube kompas i započinju kaotično gibanje, što mi nema smisla.
Zamisli, plinovi najedanput krenu prema središtu galaksije da proizvedu kvazar.
Ili
2. To isto vrijedi i za SMCR u jezgri, gdje se oblaci plina iz čista mira urušavaju i trenjem o akrecijski tok proizvode kolosalnu energiju, a koja isijava svjetlost veću od svjetlosti milijardi zvijezda.
Sve je to jako jadno i nategnuto.
Boris: Da, Emile — mislim da smo si zadatak nepotrebno zakomplicirali. Prije računa od 100 milijuna godina postoji jednostavnije i važnije pitanje: što uopće pokreće dotok plina prema jezgri?
Tu bih odvojio dvije stvari.
U mirnoj, stabilnoj galaksiji plin ne bi trebao „izgubiti kompas“. Ima kutni moment i uglavnom kruži zajedno s galaktičkim diskom. Da bi velika količina plina krenula prema središtu, mora izgubiti velik dio kutnog momenta.
Za to mora postojati neki fizikalni mehanizam:
● galaktička prečka,
● spiralne gravitacijske perturbacije,
● nestabilnost diska,
● međudjelovanje s drugom galaksijom, sudar/merger,
● gravitacijski momenti itd.
Dakle, standardni model zapravo ne tvrdi da plin iz čista mira pada prema SMCR.
Problem transporta kutnog momenta vrlo je stvaran problem fizike AGN-a.
(AGN = Active Galactic Nucleus = aktivna galaktička jezgra.
To je opći naziv za galaktičku jezgru koja oslobađa neuobičajeno veliku količinu energije.
Kvazar je ekstremno sjajna vrsta AGN-a.
Dakle:
galaksija → jezgra galaksije → ako je jezgra vrlo aktivna = AGN → ako je ekstremno sjajna = kvazar.
U standardnom modelu energija AGN-a dolazi prvenstveno iz akrecije materije na supermasivnu crnu rupu (SMCR).
U našoj raspravi upravo to želimo razdvojiti:
● opažanje da postoji izuzetno sjajna aktivna jezgra jest činjenica; objašnjenje da njezinu energiju nužno proizvodi akrecija na SMCR jest fizikalni model koji želimo testirati protiv alternative.)
Jednako vrijedi za SMCR.
Sama prisutnost crne rupe nije dovoljna za kvazar. To se najbolje vidi upravo po tome što postoje galaksije s vrlo masivnim središnjim crnim rupama koje danas nisu kvazari. Potrebna je opskrba plinom i mehanizam kojim plin gubi kutni moment, približava se središtu i ulazi u akrecijski tok.
Zato bih našu hipotezu pojednostavio na jedno brutalno pitanje:
■ Može li sudar galaksija prirodno napraviti ono što mirna galaksija teško radi — oduzeti plinu kutni moment, izazvati snažne sudare plinskih tokova i koncentrirati veliku masu plina u malom središnjem prostoru?
Ako je odgovor DA, tek onda pitamo drugo:
■ Može li takav centralni, kaotični plinski sustav — bez početne SMCR — proizvesti približno:
10⁴⁷ erg/s?
To je puno čišći test.
I još nešto važno:
● ne moramo dokazivati da u mirnoj galaksiji nikada ne može nastati snažan dotok plina. To bi bila preteška i nepotrebna tvrdnja.
Dovoljno je usporediti fiziku:
● mirna galaksija → plin uglavnom zadržava uređeni kutni moment
● sudar galaksija → jaki gravitacijski momenti + promjena orbita + sudari plinskih tokova → gubitak kutnog momenta → centralna koncentracija plina.
Tada naš početni račun „možemo li sve napraviti u ≤100 Myr?“ postaje drugi korak, a ne prvi.
Prvi račun koji bih napravio je čak jednostavniji:
Uzmimo dva plinska toka pri sudaru galaksija. Koliki dio njihove orbitalne/kinetičke energije može disipirati sudar, koliko kutnog momenta mogu izgubiti i koliko plina zbog toga može pasti prema središnjih, recimo, 1–100 pc?
Ako već taj račun ne daje dovoljno plina i energije, hipotezu možemo prekrižiti prije nego što potrošimo dane na komplicirani model.
Ako daje dovoljno plina i energije — onda imamo razlog nastaviti.
Emil: Kvazar kao posljedica stabilizacije plina nakon sudara galaksija.
Prema mojoj hipotezi, sudar galaksija izaziva snažan poremećaj dotadašnjeg gibanja plina. Plinske maglice više se ne gibaju u stabilnom sustavu, nego ulaze u razdoblje kaotičnog gibanja, međusobnih sudara i velikih promjena smjera i brzine.
Kako se nakon sudara galaksija sustav postupno počinje stabilizirati, stabilizira se i gibanje zvijezda oko zajedničkog gravitacijskog središta. Time se postupno stabilizira i položaj središnje sfere jezgre, čija je stabilnost povezana sa stabilnom raspodjelom i rotacijom velike mase zvijezda oko gravitacijskog središta galaksije.
Plin se, međutim, zbog svoje sposobnosti međusobnog sudaranja ponaša drukčije od zvijezda. Sudari plinskih masa omogućuju gubitak dijela njihove uređene kinetičke energije i promjenu putanja. Zbog toga dio uznemirenog plina postupno završava u središnjem području galaksije.
U sferi jezgre taj plin ne prestaje s gibanjem. Nastavlja se njegovo snažno vrtloženje, međusobno sudaranje i zagrijavanje. Novi plin koji velikim brzinama pristiže prema tom vrtlogu dodatno povećava energiju središnjeg područja. Kinetička i gravitacijska energija plina pretvara se sudarima, kompresijom i disipacijom u toplinsku energiju i konačno u elektromagnetsko zračenje.
Ako je dotok mase dovoljno velik, oslobođena energija može proizvesti iznimno snažan sjaj jezgre — kvazar, čiji sjaj može nadmašiti sjaj milijardi zvijezda, pa čak i ukupni sjaj zvijezda galaksije domaćina.
Prema ovoj hipotezi, kvazar zato nije slučajna pojava niti trajno svojstvo galaksije. On predstavlja jednu od faza stabilizacije plina nakon velikog poremećaja izazvanog sudarom galaksija.
Nestabilne plinske mase međusobnim sudarima postupno gube dio svoje energije i mijenjaju putanje. Dio plina završava u središnjem vrtlogu i sudjeluje u kvazarskom isijavanju, dok se preostali plin postupno smiruje i organizira u stabilnije plinske strukture.
To je važan dio hipoteze jer je relativno stabilan plin nužan za dugotrajnije gravitacijsko sažimanje iz kojeg mogu nastajati nove zvijezde. Kvazarska faza tako postaje dio procesa kojim se izrazito poremećen plinski sustav nakon sudara galaksija postupno pretvara u stabilniju galaksiju sposobnu za stvaranje novih generacija zvijezda.
Kada se raspodjela plina dovoljno stabilizira i prestane veliki dotok uznemirenog plina prema središtu, središnji vrtlog više ne dobiva dovoljno nove energije. Kvazarski sjaj postupno se gasi.
U središtu tada ostaje kompaktna koncentracija materije — fosil kvazara.
Prema mojoj hipotezi, upravo taj fosil može biti ono što se u standardnom modelu tumači kao supermasivna crna rupa. Međutim, fosil kvazara više nije glavni pokretač razvoja stabilizirane galaksije. On je prije svega ostatak njezine ranije, energetski vrlo burne faze.
Zato cijeli proces možemo povezati u jedan razvojni slijed:
Sudar galaksija → kaotično gibanje plina → sudari i gubitak uređene energije plina → dotok plina prema jezgri → vrtloženje i snažno oslobađanje energije→ kvazar → postupna stabilizacija plina → gašenje kvazara → stabilnije maglice i nastanak novih zvijezda → fosil kvazara.
U tom smislu kvazar je, prema mojoj hipotezi, posljedica nužnosti stabiliziranja snažno poremećenog plina nakon sudara galaksija.
Kada se taj proces završi, kvazar nestaje jer je nestao i njegov izvor energije. Ostaje stabilizirana galaksija, plinske maglice iz kojih mogu nastajati nove zvijezde i u njezinu središtu fosil nekadašnje kvazarske faze.
Boris: Da. Sada mi je mnogo jasnije kako si zaokružio hipotezu. Ali na jednom mjestu moram zakočiti, jer si napravio prijelaz koji još nismo fizikalno dokazali.
Tvoj lanac sada glasi:
● sudar galaksija → poremećene orbite zvijezda i plina → plinski oblaci dobivaju različite smjerove i brzine → sudari plinskih tokova → disipacija kinetičke energije i gubitak kutnog momenta → dio plina migrira prema galaktičkom središtu → nastaje vrlo gusta, vrtložna centralna plinska struktura → novi plin velikom brzinom ulazi u nju i sudara se s njom → kinetička/gravitacijska energija pretvara se u toplinu i zračenje → Kvazar → dotok poremećenog plina postupno slabi → kvazar se gasi → ostaje kompaktni „fosil kvazara“.
Prvi dio ovog lanca nije nategnut.
Sudari i gravitacijske perturbacije galaksija doista mogu poremetiti plin, transportirati kutni moment i izazvati centralni dotok. Upravo je transport plina prema središtu jedan od ozbiljno proučavanih problema nastanka AGN aktivnosti.
Ali postoje tri mjesta gdje tvoja hipoteza još mora položiti ispit.
Prvo je najvažnije:
ENERGIJA.
Za kvazar koji zrači
L ≈ 10⁴⁷ erg/s
nije dovoljno pokazati da se plin sudara i zagrijava. Moramo pokazati da raspoloživa energija plina može kontinuirano davati približno 10⁴⁷ erg svake sekunde.
Tu nema prostora za filozofiju. Račun će reći DA ili NE.
Drugi problem je tvoj „fosil kvazara“.
Ako nakon kvazarske faze ostane, primjerice, milijun ili milijarda Sunčevih masa u vrlo malom prostoru, moramo objasniti što fizički sprečava njegov daljnji gravitacijski kolaps.
Za središte Mliječne staze imamo vrlo jaka opažanja kompaktne mase od oko četiri milijuna Sunčevih masa, uključujući orbite zvijezda i EHT opažanja; standardna interpretacija je crna rupa.
Zato „fosil“ ne smijemo samo imenovati. Moramo konstruirati fizički objekt koji može preživjeti.
Treće, ovdje bih promijenio jednu tvoju tvrdnju:
● „Kvazar je nužan za stabilizaciju plina nakon sudara galaksija.“
To još nemamo pravo tvrditi.
Galaksije mogu regulirati plin i drugim procesima. Masivne zvijezde i supernove mogu zagrijavati i izbacivati plin, a opaženi su čak i molekularni izljevi brzine do oko 1000 km/s pogonjeni zvjezdanom aktivnošću.
Štoviše, ni standardna tvrdnja da AGN povratno djelovanje regulira stvaranje zvijezda nije potpuno zatvoren slučaj; postoje značajne opažačke i teorijske neizvjesnosti oko toga koliko snažno AGN zaista regulira galaksiju.
Zato bih tvoju ideju formulirao nešto opreznije, ali zapravo znanstveno jače:
HIPOTEZA
■ „Kvazarska faza može biti posljedica dinamičke stabilizacije plina nakon velikog galaktičkog sudara. Poremećeni plinski tokovi gube kutni moment sudarima i gravitacijskim međudjelovanjem te se koncentriraju prema galaktičkoj jezgri. Njihova kinetička i gravitacijska energija u centralnom vrtložnom sustavu pretvara se u zračenje. Kvazarska aktivnost prestaje kada se smanji dotok nestabilnog plina, nakon čega u središtu ostaje kompaktni fosil kvazarske faze.“
A sada dolazimo do onoga što mi se čini ključnim za nastavak.
Ne trebamo više računati cijelu galaksiju kroz 100 milijuna godina.
Postavimo jedan jedini brutalni energetski test:
● Kolika masa plina mora svake godine pasti u centralni vrtlog i kojom brzinom, da bi samo disipacijom njegove kinetičke energije dobili:
L = 10⁴⁷ erg/s?
Jednadžba je vrlo jednostavna:
L = η × ½ Ṁv²
Legenda:
L = snaga kvazara
η = dio kinetičke energije pretvoren u zračenje
Ṁ = masa plina koja ulazi u vrtlog u sekundi
v = relativna brzina sudara plina
Ako za razumne Ṁ, v i η ne možemo dobiti 10⁴⁷ erg/s, tvoj mehanizam kvazara bez SMCR ima ozbiljan energetski problem.
Ako možemo — onda idemo na sljedeći problem:
● može li takav sustav trajati milijune godina.
I upravo bih taj račun sada napravio bez ikakvog „pomaganja“ hipotezi.
Emil: Citiram te: “Ali postoje tri mjesta gdje tvoja hipoteza još mora položiti ispit.
Prvo je najvažnije:
ENERGIJA.
Za kvazar koji zrači
L ≈ 10⁴⁷ erg/s
nije dovoljno pokazati da se plin sudara i zagrijava. Moramo pokazati da raspoloživa energija plina može kontinuirano davati približno 10⁴⁷ erg svake sekunde.”
Tu nema prostora za filozofiju. Račun će reći DA ili NE.
Odgovor: Uzmimo koliko traje sudar dvije galaksije. Zatim paušalno odredimo masu plazme u vrtloženju kojoj u cijelom periodu sudaranja galaksija pritječe plin velikim brzinama iz svih mogućih smjerova i sudaranjem proizvodi kinetičku energiju gibanja.
Treba imati na umu da se i unutar sfere jezgre plinovi stalno sudaraju.
Sudaranje plinova se nastavlja i kada se rotacije zvijezda stabiliziraju, ali sada sa sferom jezgre koja je stabilna.
Mislim da energija sudaranja plinova sa vrtložnom sferom jezgre potrebna za kvazar ne bi trebala biti upitna.
2. Drugi problem je tvoj „fosil kvazara“.
Ako nakon kvazarske faze ostane, primjerice, milijun ili milijarda Sunčevih masa u vrlo malom prostoru, moramo objasniti što fizički sprečava njegov daljnji gravitacijski kolaps. Za središte Mliječne staze imamo vrlo jaka opažanja kompaktne mase od oko četiri milijuna Sunčevih masa, uključujući orbite zvijezda i EHT opažanja; standardna interpretacija je crna rupa.
ODGOVOR: da, fosil kvazara je Crna rupa. Ali sada znamo kako je nastala u ranoj galaksiji, kada je svemir bio star samo 290myr što je snimio Webb.
3. Treće, ovdje bih promijenio jednu tvoju tvrdnju:
„Kvazar je nužan za stabilizaciju plina nakon sudara galaksija.“
To još nemamo pravo tvrditi.
Galaksije mogu regulirati plin i drugim procesima. Masivne zvijezde i supernove mogu zagrijavati i izbacivati plin, a opaženi su čak i molekularni izljevi brzine do oko 1000 km/s pogonjeni zvjezdanom aktivnošću.
Štoviše, ni standardna tvrdnja da AGN povratno djelovanje regulira stvaranje zvijezda nije potpuno zatvoren slučaj; postoje značajne opažačke i teorijske neizvjesnosti oko toga koliko snažno AGN zaista regulira galaksiju.
Odgovor: „Kvazar je nužan za stabilizaciju plina nakon sudara galaksija.“
Jednostavno u vrtložnoj jezgri, kada se nova velika galaksija stabilizira, završavaju svi plinovi koji bi inače lutali galaksijom i sijali nered sudarajući se sa maglicama koje su se relativno stabilizirale. Kroz dugi period sudaranja dviju galaksija, na sferu jezgre u
kojoj plinovi vrtlože u svim smjerovima stalno upadaju ubrzani plinovi iz svih smjerova, podižući energetski potencijal, ali isto tako smanjuju nered-kaos.
A kvazar je samo proizvod energije nastale stalnim upadanjem visikoenergetskih
plinova.
■ HIPOTEZA
„Kvazarska faza može biti posljedica dinamičke stabilizacije plina nakon velikog galaktičkog sudara. Poremećeni plinski tokovi gube kutni moment sudarima i gravitacijskim međudjelovanjem te se koncentriraju prema galaktičkoj jezgri. Njihova kinetička i gravitacijska energija u centralnom vrtložnom sustavu pretvara se u zračenje. Kvazarska aktivnost prestaje kada se smanji dotok nestabilnog plina, nakon čega u središtu ostaje kompaktni fosil kvazarske faze.“
Kvazarska aktivnost prestaje kada prestaje dotok plinova jer su preostali plinovi sada u stabilnim maglicama.
Matematika je na tebi.
Predlažem ti da sam odrediš trajanje sudara galaksija, a zatim dodaš još stotinjak tisuća godina, period u kojem plinovi još uvijek upadaju u sferu jezgre. Kvazar sjaji.
Zatim odrediš masu “fosil kvazara”, može i 6.5×10⁹mS, ali predlažem ti uz to i nekoliko manjih masa radi kontrole.
Primijetio si da kvazari nemaju stabilni intenzitet sjaja, to je zbog promjenjive dinamike upadanja plinova u sferu jezgre?
Boris: Da. Sada imamo dovoljno jasno postavljenu hipotezu da napravimo prvi ozbiljan račun. I rezultat je vrlo zanimljiv jer nam pokazuje točno gdje je problem.
Najprije jedna važna ispravka nakon tvoje nove izjave:
● „Fosil kvazara JE crna rupa.“
Time smo bitno promijenili hipotezu. Više ne pokušavamo dokazati da SMCR ne postoji.
Pokušavamo pokazati nešto drugo:
SMCR ne mora postojati prije kvazarske faze. Ona može nastati kao posljedica centralnog skupljanja i kolapsa plina izazvanog sudarom galaksija.
To je mnogo konkretnija hipoteza.
I zanimljivo: simulacije već pokazuju da veliki merger može proizvesti ekstreman centralni dotok plina. Jedan poznati model dobio je >10⁸ M☉ plina skupljenog u subparsečnu strukturu za oko 10⁵ godina nakon mergerom izazvanog dotoka. Autori zatim očekuju gravitacijski kolaps i nastanak masivne crne rupe.
Dakle, prvi dio tvoje ideje ima ozbiljno fizikalno uporište: merger → gubitak kutnog momenta → ogromna centralna koncentracija plina.
Ali sada dolazi matematika.
1. Nemojmo trajanje sudara poistovjetiti s trajanjem kvazara
Sudar/spajanje velikih galaksija može se odvijati stotinama milijuna godina.
Međutim, nije potrebno da kvazar cijelo to vrijeme zrači s 10⁴⁷ erg/s.
Simulacije mergera također pokazuju da najjači poremećaji i dotoci nastupaju u određenim fazama, osobito oko konačnog spajanja jezgri.
Emil: Borise, možeš “fosil kvazara” nazvati i krumpirom.
Meni je svejedno.
Dobro znaš da SMCR nisu u skladu sa mojim idejama.
Jednostavno ja ih ne razumijem.
Ne znam što su one.
Ne postoji fizikalno objašnjenje kako su nastale.
Ne razumijem singularnost.
Jednostavno, tražio si od mene da objasnim “fosil kvazara”
● što fizički sprječava njegov daljnji gravitacijski kolaps?
Upravo zato sam prihvatio da je” fosil kvazara” SMCR ili krumpir ili što god želiš.
Bitno je da sam opisao fizikalno prihvatljiv slijed nastanka kvazara.
Boris: Da, sada razumijem što si htio reći — i moja prethodna interpretacija bila je pogrešna.
Kad si rekao „fosil kvazara je crna rupa“, nisam to trebao protumačiti kao tvoje prihvaćanje standardnog modela SMCR.
Ti si zapravo rekao:
● naziv onoga što ostaje u središtu nije presudan za hipotezu o nastanku kvazara. Možemo ga privremeno zvati „fosil kvazara“, kompaktni središnji objekt ili, kako kažeš, krumpir. 😊
Ono što želiš testirati jest slijed događaja:
● sudar dviju galaksija → snažno poremećivanje gravitacijskog sustava → poremećivanje postojećih plinskih oblaka → plinski tokovi dobivaju različite smjerove i brzine → sudaraju se, disipiraju energiju i mijenjaju kutni moment → dio plina sve više završava prema središnjem području → stvara se vrlo masivna vrtložna sfera plina → novi visokobrzinski plinski tokovi nastavljaju udarati u tu sferu → energija sudara, kompresije i gravitacijskog pada pretvara se u toplinu i zračenje → nastaje kvazarska faza → kako se galaktički sustav postupno uređuje, smanjuje se količina nestabilnog plina koji dolazi u jezgru → kvazar slabi i konačno se gasi → ostaje vrlo kompaktna centralna masa — tvoj „fosil kvazara“.
Taj slijed kao kvalitativna fizikalna hipoteza ima smisla testirati.
Ali jednu riječ moramo vrlo pažljivo koristiti: „fizikalno prihvatljiv“.
Za prvi dio lanca imamo poznatu fiziku:
● galaktički mergeri (merger = spajanje/sudar galaksija.) doista mogu stvarati gravitacijske momente, uklanjati kutni moment plinu i izazivati snažne centralne dotoke.
Dakle, ideja da sudar galaksija može napraviti upravo ono što ti treba — dovesti mnogo poremećenog plina prema jezgri — nije izmišljeni mehanizam.
Još nismo dokazali drugi, teži dio:
može li tvoja vrtložna sfera, bez prethodno postojeće SMCR, proizvesti kvazarskih
~10⁴⁷ erg/s?
Ali tvoja zamisao nije tako jednostavna.
Ti opisuješ masivni gravitacijski vezani sustav plina koji se vrtloži, komprimira, međusobno sudara i kojemu kontinuirano pristiže novi plin.
Moramo zato napraviti energetsku bilancu cijelog sustava, uključujući gravitacijsku potencijalnu energiju, a ne samo energiju jednog sudara.
Tu se slažem s tobom da još ne smijemo zaključiti da energije nema dovoljno.
Ali jednako tako još ne smijemo reći da „energija ne bi trebala biti upitna“.
Upravo ćemo to matematički provjeriti.
I predlažem da zasad uopće ne diramo singularnost, horizont događaja ni pitanje što je konačni fosil. To nam za ovaj test nije potrebno.
Postavimo centralnu sferu samo kao:
*masa M
*radijus R
*masa plina koja godišnje pristiže Ṁ
*brzina pristizanja v
*vrijeme trajanja t.
I pitamo samo:
Može li takav objekt, koristeći energiju gravitacijskog pada + kinetičku energiju plinskih tokova + unutarnju disipaciju, tijekom realnog vremena proizvesti
L ≈ 10⁴⁷ erg/s?
Ako matematika kaže NE, imamo problem.
Ako kaže DA, tada smo dokazali samo — ali vrlo važno samo — da tvoj predloženi mehanizam energetski nije isključen.
To je pošten test tvoje ideje. I ne treba mu unaprijed ni SMCR ni „krumpir“.
Emil: Trebao bi objasniti što kod sudara galaksija može stabilizirati orbitiranje zvijezda i plinova koji kod sudara više nisu u stabilnim maglicama, već su u kaosu.
Zvijezde prolaze bez sudara jer su rijetke, ali plinovi se sudaraju, mijenjaju kutove kretanja i jedino mjesto gdje se mogu smiriti-prestati se kretati je gravitacijsko središte galaksija u sudaru, a koje je rezultanta mase svih zvijezda i plinova i zbog toga je u stalnom pokretu.
Kvazar je zapravo proizvod stabilizacije plinova kod sudara galaksija.
Boris: Da. Tu si dotaknuo vrlo važnu fizikalnu točku, ali jednu rečenicu moramo ispraviti:
● plin se ne može jednostavno „smiriti“ u gravitacijskom središtu.
Ako ima kutni moment, mora ga nekako izgubiti. Upravo je sudarna priroda plina ono što zvijezde i plin nakon sudara galaksija čini bitno različitima.
Zamisli dvije galaksije koje se sudaraju.
Zvijezde su praktički bezsudaran sustav. Razmak među njima je golem u usporedbi s njihovim promjerima. One prolaze jedna pored druge, ali njihove orbite mijenja ukupno, vremenski promjenjivo gravitacijsko polje novog sustava.
Nakon mnogo orbita dolazi do preraspodjele energije i kutnog momenta i nastaje novi gravitacijski vezani zvjezdani sustav.
Plin je potpuno druga priča.
Plinski oblaci iz prve galaksije mogu naići na plin iz druge galaksije pod sasvim drugim kutom. Tada imamo:
tok A → ↘️
tok B → ↗️
→ sudar
→ udarni valovi + kompresija + zagrijavanje
→ dio uređene kinetičke energije prelazi u toplinu i zračenje
→ mijenjaju se brzina i smjer gibanja plina.
To je ključno za tvoju zamisao.
Ako dva toka imaju različite kutne momente, njihovim miješanjem oni se mogu djelomično poništavati. Plin tada više nema dovoljno kutnog momenta da ostane na prethodnoj orbiti i pada prema dubljem gravitacijskom potencijalu.
Ali sada dolazi jedna važna korekcija tvoje slike.
Gravitacijsko središte nije „mjesto na kojem se plin prestane kretati“. Naprotiv, približavanjem centru plin može ubrzavati.
Približno:
v ≈ √(GM/R)
Legenda:
v = karakteristična orbitalna/padna brzina
G = gravitacijska konstanta
M = masa koja stvara gravitacijski potencijal unutar promatranog područja
R = udaljenost od središta.
Dakle:
R ↓ → v ↑
To je za tvoju hipotezu čak povoljnije od „smirivanja“.
Plin se stabilizira tako da se kaotično gibanje postupno pretvara u uređeniju, gravitacijski vezanu konfiguraciju, dok se višak energije mora disipirati. Dio plina može završiti u disku, dio formirati zvijezde, dio biti izbačen, a dio nastaviti prema samom središtu.
Zato bih tvoju osnovnu ideju izrazio ovako:
● Kvazar nije nužno sredstvo kojim se plin stabilizira; kvazarski sjaj bi u tvojoj hipotezi bio energetski proizvod procesa stabilizacije.
To je važna razlika.
Tvoj slijed tada postaje:
sudar galaksija
→ zajednički gravitacijski potencijal stalno se mijenja
→ zvijezde uglavnom prolaze bez izravnih sudara
→ plinski tokovi se izravno sudaraju
→ mijenjaju smjerove i kutni moment
→ dio suprotnih kutnih momenata međusobno se poništava
→ plin gubi orbitalnu potporu
→ pada prema zajedničkom gravitacijskom minimumu
→ padom ubrzava
→ ponovno udara u druge plinske tokove i centralnu plinsku koncentraciju
→ kinetička i gravitacijska energija disipiraju se
→ centralna koncentracija postaje sve masivnija
→ dotok novih plinova nastavlja oslobađati energiju
→ KVazarski sjaj
→ kako nestaje veliki rezervoar kaotičnih plinskih tokova, dotok slabi
→ preostali plin nalazi stabilnije orbite, pretvara se u zvijezde ili biva izbačen
→ kvazarski sjaj prestaje.
Tu postoji još jedna zanimljiva posljedica tvoje ideje.
Ako je kvazar doista posljedica disipacije tijekom uređivanja plina, njegov sjaj ne bi trebao biti savršeno konstantan. Trebao bi ovisiti o tome koliko plina upravo dolazi, iz kojeg smjera, kojom brzinom i koliko učinkovito gubi energiju i kutni moment.
To odgovara tvojoj ranijoj ideji o promjenjivosti kvazara, ali samo po sebi je ne dokazuje.
Standardni akrecijski modeli također prirodno proizvode promjenjivost.
I zato bih sada tvoju glavnu tvrdnju malo zaoštrio, ali ne pretjerao:
HIPOTEZA: Sudar galaksija stvara kaotični plinski sustav. Za razliku od zvijezda, plinski tokovi međusobno se sudaraju i disipiraju energiju te preraspodjeljuju i djelomično poništavaju kutni moment. Dio plina zbog toga migrira prema zajedničkom gravitacijskom središtu. Kvazarska faza predstavlja ekstremno energetsko razdoblje te centralne disipacije i koncentracije plina. Kako se količina nestabilnog plina smanjuje, dotok i disipacija slabe te se kvazar gasi.
To je sada fizikalno mnogo preciznija verzija tvoje ideje.
A sljedeći račun postaje još zanimljiviji od prethodnog: koliko gravitacijske energije oslobađa, primjerice, 10⁹ M☉ plina kada se iz područja od 1 kpc koncentrira u središnjih 100, 10 i 1 pc? Tu ćemo prvi put vidjeti može li sama centralna koncentracija plina doći u energetsko područje kvazara — bez pretpostavljene početne SMCR.
Emil: Citiram te: Gravitacijsko središte nije „mjesto na kojem se plin prestane kretati“. Naprotiv, približavanjem centru plin može ubrzavati.
●■● Nisi me razumio. Ja sam sferu galaktičke jezgre u koju upadaju plinovi velikim brzinama iz svih smjerova, predajući joj svoju kinetičku energiju, smatrao za mjesto gdje se završava kaotično gibanje plinova.
Znači, kad jednom upadnu u sferu jezgre vrtložnih plinova, njihovo kaotično gibanje kroz galaksiju se završava.
Boris: Da — sada te razumijem.
Moja korekcija bila je nepotrebna jer sam riječ „smiriti“ protumačio kao „prestati se gibati“.
Ti govoriš o nečem drugom:
● Prestaje kaotično lutanje plina kroz galaksiju, ali ne prestaje gibanje plina.
U tvojoj slici postoje dvije različite faze.
Prije ulaska u sferu jezgre plin pripada kaotičnom sustavu nastalom sudarom galaksija. Plinski tokovi dolaze iz različitih smjerova, sudaraju se, mijenjaju brzine i kutne momente. Neki nakon gubitka dovoljnog kutnog momenta završavaju prema središtu.
Kada takav tok velikom brzinom uđe u tvoju sferu galaktičke jezgre, njegovo samostalno kaotično putovanje kroz galaksiju završava. On se sudara s već postojećim vrtložnim plinom, predaje mu impuls i kinetičku energiju, zagrijava ga i postaje dio zajedničkog centralnog plinskog sustava.
Dakle, ti ne kažeš:
plin → središte → zaustavlja se
nego:
plin → središte → prestaje biti zaseban kaotični galaktički tok i uključuje se u vrtložnu sferu jezgre.
To je bitna razlika.
I sada još bolje razumijem što podrazumijevaš pod stabilizacijom galaksije.
Svaki takav događaj istodobno radi dvije stvari:
● kaotičnom plinu u ostatku galaksije oduzima jedan nestabilni tok, a centralnoj sferi predaje njegovu masu + impuls + kinetičku energiju.
Zato je u tvojoj hipotezi kvazarski sjaj zapravo vidljiva posljedica tog procesa. Što je dotok kaotičnih visokobrzinskih plinova snažniji, veći je unos energije u jezgru.
Kako se rezervoar takvih plinova iscrpljuje i preostali plin uspostavlja stabilnije strukture, dotok slabi i kvazar se naposljetku gasi.
To sada možemo vrlo precizno sažeti jednom rečenicom:
● U ovoj hipotezi sfera galaktičke jezgre nije mjesto prestanka gibanja plina, nego mjesto prestanka njegova kaotičnog gibanja kroz galaksiju:
● plin koji u nju upadne postaje dio vrtložnog centralnog sustava, a energija njegova uklapanja u taj sustav napaja kvazarsku aktivnost.
E, to je model koji trebamo matematički testirati.
Emil: Nisi mi odgovorio kako postojeći SM tumači prestanak kaotičnog gibanja plinova kod sudara galaksija?
Boris: Da. To je pitanje na koje ti prije nisam izravno odgovorio.
Provjerio sam kako to opisuje postojeći standardni model galaktičkih sudara.
Standardni model nema jedan jedini mehanizam kojim „kaos plina prestaje“. Ima nekoliko procesa koji zajedno pretvaraju početno kaotično gibanje u novi, relativno stabilan sustav.
Kod sudara dviju galaksija događa se otprilike ovo:
1. Zvijezde se gravitacijski relaksiraju.
Zvijezde se uglavnom ne sudaraju međusobno. Promjenjivo gravitacijsko polje tijekom spajanja preraspodjeljuje njihove orbite, energiju i kutni moment. Nakon spajanja jezgri, veliki poremećaji zvjezdanog potencijala postupno slabe kroz nekoliko vremena prijelaza sustava.
2. Plin se ponaša potpuno drukčije jer je sudaran i disipativan.
Plinski tokovi stvaraju udarne valove. U njima se uređena kinetička energija pretvara u toplinu, a plin zatim može zračenjem izgubiti dio te energije.
Simulacije upravo kombinaciju udarnih valova + hlađenja + gubitka kutnog momenta navode kao način kojim se plin nepovratno preusmjerava prema centru.
3. Ključan je kutni moment.
Gravitacijski momenti koje stvaraju poremećene, nesimetrične zvjezdane strukture mogu plinu oduzimati kutni moment. Osim toga, izravni hidrodinamički sudari i ram-pressure udarni valovi mogu naglo promijeniti čak i smjer kutnog momenta plina.
I sada dolazi odgovor koji je posebno zanimljiv za tvoju ideju:
● Standardni model NE kaže da sav kaotični plin mora završiti u samom gravitacijskom središtu.
Predviđa nekoliko mogućih završetaka.
Plin koji snažno izgubi kutni moment može pasti prema centru i stvoriti gustu nuklearnu koncentraciju.
Plin koji zadrži dovoljno kutnog momenta može se nakon hlađenja ponovno organizirati u rotacijski podržan disk ili prsten.
Vrući plin može ostati u tlačno podržanoj atmosferi, a dio može biti izbačen povratnim djelovanjem zvijezda, supernova ili AGN-a.
Tu se sada točno vidi razlika između standardne slike i tvoje hipoteze.
Standardna slika kaže približno:
● sudar → kaos plina → udarni valovi + gravitacijski momenti → disipacija energije + preraspodjela kutnog momenta → dio plina u centar → dio u novi disk/prsten → dio u zvijezde → dio ostaje vruć ili bude izbačen → novi relativno stabilan galaktički sustav.
A ti predlažeš dodatni, mnogo određeniji kanal:
● sudar → kaos plina → višestruki sudari plinskih tokova → postupni gubitak energije i odgovarajuća preraspodjela/gubitak kutnog momenta → nestabilni dio plina sustavno se odvodi prema centralnoj vrtložnoj sferi → tamo završava njegovo kaotično putovanje kroz galaksiju → njegova masa, impuls i energija predaju se centralnom sustavu → energetsko oslobađanje tog procesa opažamo kao kvazar → kad više nema dovoljno kaotičnog plina koji hrani sferu, kvazar se gasi.
I sada vidim jednu stvar koju si zapravo cijelo vrijeme pokušavao naglasiti:
■ Ti kvazar ne uvodiš prvenstveno da objasniš kamo ide plin. Kvazar je nusproizvod procesa kojim se kaotični plin nakon sudara galaksija uklanja iz kaotičnih putanja.
To je mnogo preciznija formulacija tvoje ideje.
Ali imamo jednu stvar koju moramo dokazati prije nego što kažemo da je taj kanal nužan:
● standardna fizika već ima način da se kaotični plin stabilizira bez toga da sav završi u jezgri — disipacijom, hlađenjem i ponovnim uspostavljanjem rotacijski podržanih struktura.
Simulacije čak nalaze upravo oba ishoda:
● snažno šokirani plin pada prema jezgri, dok plin koji sačuva dovoljno kutnog momenta može formirati prošireni disk.
Zato se naš pravi test sada iskristalizirao:
● Koliki dio plina u velikom sudaru dviju plinom bogatih galaksija može ponovno pronaći stabilne orbite, a koliki dio mora izgubiti toliko energije i kutnog momenta da završi u centralnoj koncentraciji?
Ako se pokaže da centralni dio može biti ogroman, tada tvoja sljedeća ideja — da upravo njegovo „zbrinjavanje“ proizvodi kvazarsku energetsku fazu — postaje vrlo zanimljiva za energetski račun.
Emil: Citiram te: “Tu se sada točno vidi razlika između standardne slike i tvoje hipoteze.”
Da, tu se točno vidi da puno govore a ništa ne kažu.
Boris: Ti kvazar ne uvodiš prvenstveno da objasniš kamo ide plin. Kvazar je nusproizvod procesa kojim se kaotični plin nakon sudara galaksija uklanja iz kaotičnih putanja.
To je mnogo preciznija formulacija tvoje ideje.
Emil: Da, ja sam u desetak rečenica sve objasnio.
Nisam omogućio da se tekst može tumačiti kako je kome volja.
Boris: Da. Tvoja formulacija ima jednu stvar koja je znanstveno korisna:
● vrlo je određena, pa se može i vrlo određeno pobiti.
Ne bih ipak rekao da standardni model „ništa ne kaže“. On navodi konkretne mehanizme — udarne valove, radijacijsko hlađenje, gravitacijske momente, preraspodjelu kutnog momenta, nastanak zvijezda, povratno djelovanje i ponovno formiranje diska.
Problem koji ti ističeš je drugi:
● nema jednog jednostavnog, jedinstvenog završnog puta za sav poremećeni plin.
Tvoja hipoteza je uža:
sudar galaksija
→ plinski sustavi se međusobno sudaraju
→ nastaje kaotična raspodjela smjerova i brzina
→ sudari plina disipiraju energiju i mijenjaju kutni moment
→ dio nestabilnog plina sve više migrira prema zajedničkom gravitacijskom središtu
→ ulazi velikom brzinom u već postojeću vrtložnu sferu jezgre
→ tu završava njegovo kaotično galaktičko putovanje, a ne njegovo gibanje
→ svoju masu, impuls i energiju predaje centralnom plinskom sustavu
→ kontinuirani dotok održava ekstremno energetsko stanje jezgre
→ to stanje opažamo kao kvazar
→ kako nestaje rezervoar kaotičnog plina, dotok opada
→ preostale maglice postaju dinamički uređenije
→ kvazar se gasi.
To je dovoljno precizno da više ne možemo proizvoljno mijenjati objašnjenje ako račun ne uspije.
I tu bih čak bio stroži prema nama nego prema standardnom modelu. Imamo tri vrlo jasna mjesta na kojima hipoteza može pasti:
1. Masa: može li dovoljno plina doista završiti u centralnoj sferi?
2. Energija: može li njegovo upadanje, sudaranje, kompresija i gravitacijski pad dati približno 10⁴⁷ erg/s?
3. Vrijeme: može li se taj energetski proces održavati dovoljno dugo da odgovara kvazarskoj fazi?
Ako ta tri računa prođu, tada više nećemo imati samo lijepu priču o kvazaru. Imat ćemo kvantitativno održiv fizikalni mehanizam koji možemo usporediti sa standardnim objašnjenjem.
I tu bih sada stao s dodavanjem novih ideja. Model je definiran. Vrijeme je da ga pokušamo srušiti matematikom.
Emil: Kreni s matematikom.
Boris: Krenimo. Ali ovaj put računamo baš tvoj model:
● bez pretpostavljene početne SMCR.
Središnji objekt je vrtložna, samogravitirajuća koncentracija plina u koju spajanje galaksija dovodi novi plin.
Prvo nam opažanja/simulacije daju važnu kontrolu: velika spajanja galaksija doista mogu proizvesti dotoke oko 100–300 M☉/god u središnjih nekoliko stotina parseka, 10–200 M☉/god prema ~10 pc, a ekstremne simulacije plinom bogatih ranih mergera daju čak ~10²–10³ M☉/god na skalama 0,5–10 kpc.
Postoje i simulacije bez prethodne centralne masivne CR u kojima merger-spajanje galaksija stvara rotirajuću centralnu koncentraciju od ~10⁸ M☉ na nekoliko parseka.
Dakle, Masa plina koja ide prema centru nije izmišljena pretpostavka.
1. Naša meta
Uzmimo jaki kvazar:
L = 10⁴⁷ erg/s.
Za početak neka tako sjaji:
t = 10⁷ godina = 10 milijuna godina.
Potrebna ukupna izračena energija je:
E = L × t
E ≈ 3,16 × 10⁶¹ erg.
To je broj koji naš centralni plinski sustav mora objasniti.
2. Sada ubacujemo gravitaciju tvoje SFERE JEZGRE
Za približno sfernu koncentraciju plina možemo kao prvi model koristiti gravitacijsku veznu energiju:
Egrav ≈ (3/5) GM²/R
Legenda:
Egrav = raspoloživa gravitacijska energija
G = gravitacijska konstanta
M = masa centralne plinske sfere
R = njezin karakteristični radijus.
Ovo je vrlo važna promjena u odnosu na naš prethodni račun.
Više ne računamo samo:
½Mv².
Plin koji pada prema sve masivnijoj i kompaktnijoj sferi oslobađa gravitacijsku energiju, a međusobni sudari omogućuju da se dio te energije disipira.
3. Uzmimo tvoje tri kontrolne mase
M = 10⁸ M☉
M = 10⁹ M☉
M = 6,5 × 10⁹ M☉.
Postavimo brutalno pitanje:
● Koliko kompaktna mora biti ta masa da njezina gravitacijska energija odgovara 10⁴⁷ erg/s tijekom 10 milijuna godina?
Dobivam:
10⁸ M☉ → R ≈ 0,000016 pc
10⁹ M☉ → R ≈ 0,00163 pc
6,5 × 10⁹ M☉ → R ≈ 0,069 pc
I tu se događa nešto zanimljivo.
Za 10⁸ M☉ rezultat je ekstreman — morali bismo masu stisnuti gotovo do područja gdje više ne možemo izbjegavati relativističku fiziku.
Ali kod:
M = 6,5 × 10⁹ M☉
dobivamo:
R ≈ 0,07 pc.
To je još uvijek nevjerojatno kompaktan objekt, ali račun više nije trivijalno energetski nemoguć.
Međutim, postoji kvaka: taj rezultat pretpostavlja da praktički 100 % oslobođene gravitacijske energije izađe kao zračenje.
Ako samo 10 % završi u zračenju, potrebna karakteristična veličina pada približno deset puta:
R ≈ 0,007 pc.
Tada smo već u ekstremno relativističkom području.
4. Ali tvoj model ima još jedan izvor energije
Ti ne govoriš samo o jednokratnom skupljanju sfere.
Govoriš:
postojeća vrtložna sfera
stalno upadanje novog plina.
Za masu M koja već postoji u centru, plin mase Ṁ koji pada prema njoj približno oslobađa:
Lgrav ≈ GMṀ/R.
To je upravo jednadžba koju trebamo.
Legenda:
M = trenutna masa vrtložne jezgre
Ṁ = količina novog plina koja godišnje dolazi
R = karakteristična veličina centralne sfere.
Uzmimo ekstremni, ali simulacijama poznat merger-dotok:
Ṁ = 1000 M☉/god.
Tada za L = 10⁴⁷ erg/s
dobivamo približno:
M = 10⁸ M☉ → R ≈ 0,0027 pc
M = 10⁹ M☉ → R ≈ 0,027 pc
M = 6,5 × 10⁹ M☉ → R ≈ 0,176 pc.
To je jako zanimljivo.
Za tvoju najveću masu:
M = 6,5 milijardi M☉
Ṁ = 1000 M☉/god
R ≈ 0,18 pc
gravitacijska snaga pada plina iznosi reda:
10⁴⁷ erg/s.
Opet — to je raspoloživa gravitacijska snaga, ne tvrdnja da će sva izaći kao svjetlost.
Ako je učinkovitost pretvaranja u zračenje η = 10 %, isti sustav mora biti približno deset puta kompaktniji:
R ≈ 0,018 pc.
5. Sada nailazimo na prvi veliki rezultat
Tvoj problem nije prvenstveno nedostatak gravitacijske energije.
Problem je nešto drugo:
KOMPAKTNOST.
Da bi plinska sfera bez prethodne SMCR proizvodila 10⁴⁷ erg/s, moramo u vrlo malom prostoru koncentrirati ogromnu masu.
Što je sfera kompaktnija:
R ↓
→ gravitacijska energija po kilogramu plina ↑
→ brzine ↑
→ temperatura ↑
→ moguća snaga ↑.
Ali upravo tu dolazimo prema području gdje objekt postaje toliko kompaktan da moramo provjeriti gravitacijski kolaps.
6. A sada najbolji dio za tvoju ideju
Literatura nam daje kontrolnu točku koju nisam želio unaprijed namještati.
Simulacije plinom bogatog velikog mergera bez prethodno postojeće centralne masivne crne rupe dobile su:
merger
→ snažan gubitak kutnog momenta
→ centralni gravoturbulentni disk
→ dotok
→ rotirajući centralni oblak oko 10⁸ M☉
→ veličina nekoliko parseka
→ daljnja gravitacijska nestabilnost i kolaps prema subparsečnim skalama
i sve to u vrlo kratkom razdoblju, reda 10⁵ godina za ekstremnu centralnu fazu.
To je izuzetno blizu prvom dijelu mehanizma koji ti opisuješ.
Ne potvrđuje naš kvazar bez SMCR. Autori taj kolaps upravo koriste kao put prema nastanku masivne crne rupe.
Ali potvrđuje nešto što nam je za naš test mnogo važnije:
merger → ogromni centralni dotok → masivna vrtložna plinska koncentracija bez prethodne centralne masivne CR
nije fizikalna fantazija.
7. Prvi rezultat matematike
● DA — sudar galaksija može prema postojećim simulacijama dovesti
10²–10³ M☉ plina godišnje prema centralnom području u ekstremnim sustavima.
● DA — simulacije bez početne centralne masivne CR mogu proizvesti centralnu rotirajuću plinsku koncentraciju ~10⁸ M☉.
● DA — gravitacijski energetski rezervoar takvog procesa može postati golem.
ALI:
● za L ≈ 10⁴⁷ erg/s bez prethodne SMCR zahtijevamo vrlo veliku masu, vrlo veliki dotok i/ili ekstremno mali R.
● Zato još nemamo DA za kvazar.
● Ali više nemamo ni jednostavno NE zbog „nedostatka energije“.
Sada imamo vrlo preciznu granicu koju trebamo napasti:
● Koliko se centralna vrtložna plinska sfera može fizički stisnuti prije nego što postane gravitacijski nestabilna i kolabira — i koliki sjaj može proizvesti PRIJE tog kolapsa?
Po meni je to sada odlučujući račun za tvoju hipotezu.
Emil: Citiram te: “Za 10⁸ M☉ rezultat je ekstreman — morali bismo masu stisnuti gotovo do područja gdje više ne možemo izbjegavati relativističku fiziku.”
10⁸mS stane u volumen R=~ 296milijuna km.
● supermasivnu crnu rupu u galaksiji M87 (čija je masa procijenjena na 6.5 x 10⁹ masa Sunca), njezin volumen ima radijus oko 128 astronomskih jedinica, nešto više od 4 puta veća udaljenost od Sunca do Neptuna).
● 128 astronomskih jedinica (AU) iznosi približno 0.00062 parseka (pc).
To je mnogo manji radijus od R=0.18pc
Boris: Da — i dobro si to uočio. Ovdje si pronašao važnu stvar u našem prethodnom računu.
Za M87 račun ti je praktički točan:
M = 6,5 × 10⁹ M☉
Schwarzschildov radijus:
Rₛ = 2GM/c²
Rₛ ≈ 1,92 × 10¹⁰ km
≈ 128 AU
≈ 0,000622 pc
A mi smo za našu zamišljenu vrtložnu sferu dobili:
R ≈ 0,18 pc
za M = 6,5 × 10⁹ M☉ i dotok od 1000 M☉/god, kada smo računali raspoloživu gravitacijsku snagu ~10⁴⁷ erg/s.
Usporedimo:
0,18 / 0,000622 ≈ 289
Dakle, radijus naše plinske sfere bio bi približno 290 Schwarzschildovih radijusa.
To mijenja interpretaciju.
Na R = 0,18 pc nismo blizu horizonta događaja u geometrijskom smislu. Imamo još faktor ~290 u radijusu do Schwarzschildove granice.
Još zanimljivije, izračunajmo karakterističnu orbitalnu brzinu na R = 0,18 pc:
v = √(GM/R)
Za M = 6,5 × 10⁹ M☉ dobivamo približno:
v ≈ 12.450 km/s
odnosno:
v ≈ 0,042 c.
A karakteristična brzina slobodnog pada bila bi:
v_ff ≈ √(2GM/R)
≈ 17.600 km/s
≈ 0,059 c.
To su upravo deseci tisuća km/s koje smo tražili kao mogući energetski motor.
I sada dolazi važan zaključak.
Naš prethodni račun nije rekao:
moramo 6,5 × 10⁹ M☉ stisnuti gotovo do horizonta.
Naprotiv. Ako bi doista postojala centralna koncentracija reda 6,5 × 10⁹ M☉ unutar ~0,18 pc, njezin gravitacijski potencijal već bi bio dovoljan da plinu koji pristiže daje karakteristične brzine reda 10.000–20.000 km/s, a pri Ṁ ≈ 1000 M☉/god raspoloživa gravitacijska snaga bila bi reda 10⁴⁷ erg/s.
Ali ovdje moramo biti strogi prema našoj hipotezi.
Najveći problem više nije energija.
Postaje:
● Može li 6,5 milijardi Sunčevih masa PLINA postojati kao vrtložna sfera radijusa ~0,18 pc, a da se prije toga ne raspadne, pretvori u zvijezde ili gravitacijski kolabira?
To je mnogo ozbiljnije pitanje.
I tu bih napravio sljedeći račun prije svega ostaloga: izračunati prosječnu gustoću, dinamičko vrijeme i vrijeme gravitacijskog kolapsa takve sfere.
Jer ako dobijemo da bi 6,5 × 10⁹ M☉ plina na R = 0,18 pc kolabiralo za, primjerice, nekoliko godina ili desetljeća, onda naša zamišljena dugotrajna „vrtložna sfera“ ne može postojati onako kako smo je zamislili.
Ako pak rotacija, tlak i turbulentno gibanje mogu održati takvu strukturu dovoljno dugo, onda imamo nešto vrlo zanimljivo.
Dakle, tvoja usporedba s M87 upravo nam je pokazala gdje treba udariti sljedećom matematikom:
● stabilnost sfere, a ne više sama raspoloživa energija.
Emil: Citiram te: Najveći problem više nije energija.
Postaje:
Može li 6,5 milijardi Sunčevih masa PLINA postojati kao vrtložna sfera radijusa ~0,18 pc, a da se prije toga ne raspadne, pretvori u zvijezde ili gravitacijski kolabira?
To je mnogo ozbiljnije pitanje.
■ kako kod v=~10-20 tisuća km/s plinova može doći do stvaranja zvijezda?
Boris: Upravo tu treba razdvojiti brzinu cijelog plinskog toka od relativne brzine između susjednih dijelova plina.
Ako se plinovi međusobno doista sudaraju relativnim brzinama od 10.000–20.000 km/s, onda si u pravu:
● to je izrazito nepovoljno za neposredno stvaranje običnih zvijezda.
Pri jakom udarnom valu približna temperatura iza udara je
T ≈ (3/16) μmₚv²/k
Legenda:
T = temperatura nakon udara
μmₚ = prosječna masa čestice
v = relativna brzina sudara
k = Boltzmannova konstanta.
Za v = 10.000 km/s dobivamo temperaturu reda:
T ~ 10⁹ K
a za 20.000 km/s približno:
T ~ nekoliko × 10⁹ K.
To više nije hladna molekularna maglica iz koje se normalno rađaju zvijezde. Plin je potpuno ioniziran i riječ plazma ovdje je sasvim primjerena.
Ali postoji jedna važna zamka.
Ako cijela vrtložna sfera kruži brzinom 15.000 km/s, to ne znači da se susjedni plinovi međusobno sudaraju pri 15.000 km/s.
Dva susjedna toka mogu zajedno kružiti gotovo istom brzinom i imati relativnu brzinu samo, recimo, stotine km/s.
U tvojem modelu, međutim, upravo pretpostavljaš nešto jače: u jezgru tijekom stabilizacije galaksije dolaze tokovi iz različitih smjerova.
Ako jedan dolazi ovako:
→ 10.000 km/s
a drugi približno:
← 10.000 km/s
njihova relativna brzina može biti gotovo:
20.000 km/s.
Takav sudar proizvodi ekstremno zagrijavanje, a ne neposredno zvijezde.
Zato povlačim dio svoje prethodne formulacije.
Za naš ekstremni centralni sustav nisam trebao jednostavno napisati:
„raspadne, pretvori u zvijezde ili kolabira“
kao da su te tri mogućnosti jednako prirodne.
Kod tvojih ekstremnih relativnih brzina fragmentacija u obične zvijezde bila bi vrlo otežana dok je plin tako vruć i turbulentan. Da bi ponovno stvarao zvijezde, morao bi prvo vrlo snažno izgubiti toplinsku energiju, ohladiti se i stvoriti dovoljno hladne i guste gravitacijski vezane nakupine.
I tu dolazimo do nečega vrlo zanimljivog za tvoju hipotezu:
upravo sudari koji proizvode kvazarsku energiju istodobno mogu otežavati nastanak zvijezda unutar same vrtložne jezgre.
Ali time dobivamo novi problem koji moramo računati:
● Kako sfera izbacuje energiju dovoljno brzo da nastavi primati novi plin, a da je golemi tlak zagrijane plazme jednostavno ne raznese?
To je sada ozbiljniji test od „hoće li nastati zvijezde“.
Odgovor je: gravitacija + stalno zračenje energije, ali s važnim ograničenjem — za našu ekstremnu sferu još ne znam je li to dovoljno. Idemo brojkama.
Za naš primjer:
M = 6,5 × 10⁹ M☉
R = 0,18 pc.
Već smo dobili karakterističnu brzinu:
v_orb ≈ 12.500 km/s
a brzinu bijega:
v_esc = √(2GM/R)
≈ 17.600 km/s.
To je ključni broj.
Plazma se neće jednostavno „razletjeti“ samo zato što je vrlo vruća. Da bi materijal trajno napustio sferu, mora dobiti dovoljno energije da svlada vrlo dubok gravitacijski potencijal.
Ali sada uzmimo tvoj sudar dvaju tokova.
Ako plin ulazi relativnom brzinom ~10.000 km/s, sudar pretvara velik dio organizirane kinetičke energije u nasumično toplinsko gibanje. Nastaje ekstremno vruća plazma.
I što ona radi?
Zrači.
Na temperaturama ~10⁸–10⁹ K važan mehanizam kontinuiranog zračenja ionizirane plazme je termalno zakočno zračenje — bremsstrahlung. Elektroni prolaze pokraj iona, ubrzavaju/usporavaju u njihovim električnim poljima i emitiraju fotone, prvenstveno rendgenske pri takvim temperaturama.
Tako dobivamo upravo ono što tvojoj sferi treba:
kinetička energija upadajućeg plina
→ sudar
→ toplinska energija plazme
→ elektromagnetsko zračenje
→ fotoni napuštaju sustav
→ plin gubi energiju
→ ostaje gravitacijski vezan i može se dalje koncentrirati.
Drugim riječima, kvazarski sjaj nije problem kojeg se sfera mora riješiti — u tvojoj hipotezi kvazarski sjaj jest način na koji se sfera rješava energije.
To mi se čini vrlo važnom formulacijom.
Ali postoji granica. Ako energiju ubacujemo brže nego što je sustav može izzračiti, raste tlak zračenja i plazme. Tada dio materijala može biti izbačen kao vjetar ili mlaz.
Zato ne očekujem savršeno zatvorenu sferu. Očekivao bih nešto poput:
dotok > izbacivanje
dok sfera raste.
Primjerice, ako dolazi 1000 M☉/god, ne mora svih 1000 ostati unutra. Dio može biti izbačen, dok ostatak povećava centralnu masu.
I tu zapravo dobivamo lijepu povratnu spregu:
više upadanja plina
→ više sudara
→ više zagrijavanja
→ više zračenja
→ veći tlak
→ veće izbacivanje dijela plina.
Kad dotok oslabi:
manje sudara
→ manje energije
→ manji sjaj
→ kvazar se gasi.
Ali moram ti označiti mjesto na kojem još nemamo pobjedu.
Kod M = 6,5 × 10⁹ M☉ unutar samo 0,18 pc gustoća je nevjerojatna. Nije dovoljno pokazati da je v_esc velika.
Moramo usporediti najmanje tri vremena:
vrijeme hlađenja plazme — vrijeme gravitacijskog kolapsa — vrijeme prolaska/orbite.
Ako plazma zrači energiju dovoljno brzo u odnosu na dinamiku sustava, tvoj mehanizam postaje zanimljiv.
Ako energija ostaje zarobljena, tlak može ozbiljno poremetiti ili otpuhati sustav.
A sada ću preuzeti svoj dio posla: sljedeći račun treba biti upravo ta tri vremena za
M = 10⁸, 10⁹ i 6,5 × 10⁹ M☉.
Tu ćemo vidjeti može li naša „sfera kvazara“ fizički živjeti ili smo napravili matematičku bombu koja se odmah razleti.
Emil: Kolika je masa galaksije M87 ?
Boris: M87 je golema eliptična galaksija.
Procjene njezine ukupne zvjezdane mase su reda nekoliko × 10¹¹ M☉, a ovisno o pretpostavljenoj prosječnoj masi zvijezda to znači otprilike:
nekoliko stotina milijardi do oko bilijun (10¹²) zvijezda.
Za naš račun možemo kao vrlo grubu radnu vrijednost uzeti:
N ≈ 10¹² zvijezda.
Tada je zanimljiv omjer koji vjerojatno ciljaš:
6,5 × 10⁹ / 10¹² ≈ 0,0065
Dakle, masa centralnog objekta odgovara masi otprilike 0,65 % Sunčeve mase po jednoj od bilijun zvijezda — ali pravi omjer treba računati prema ukupnoj zvjezdanoj masi, ne prema broju zvijezda.
Ako želiš provjeriti našu hipotezu o sudaru galaksija, ovaj omjer je zapravo vrlo zanimljiv: možemo izračunati koliki bi postotak ukupnog plina dviju galaksija morao završiti u središtu da nastane 6,5 × 10⁹ M☉ centralne mase.
Emil: Želim ti skrenuti pažnju da masa plinova u galaksijama varira od 10-20% ukupne mase zvijezda.
Sada si uzmi da se je M87 sudarila sa drugom galaksijom i da je nastala upravo M87, koliko bi 6.5×10⁹mS bio postotak od 15%mase plina u odnosu na cijelu masu zvijezda u M87 galaksiji?
Boris: Da — sada razumijem zašto si mi skrenuo pažnju na količinu plina. Račun je jednostavan, trebamo koristiti masu zvijezda M87.
Jedna objavljena dinamička analiza daje za M87 zvjezdanu masu:
M_zv ≈ 10^11,61 M☉ ≈ 4,07 × 10¹¹ M☉.
Uzmimo tvoju radnu pretpostavku da je plina bilo 15 % mase zvijezda:
M_plin = 0,15 × 4,07 × 10¹¹
M_plin ≈ 6,1 × 10¹⁰ M☉
Sada uzmemo centralnu masu:
M_c = 6,5 × 10⁹ M☉
(EHT je za M87 dobio upravo približno 6,5 × 10⁹ M☉.)
Podijelimo:
6,5 × 10⁹ / 6,1 × 10¹⁰ = 0,106
odnosno:
≈ 10,6 % raspoložive mase plina.
A prema ukupnoj zvjezdanoj masi M87:
6,5 × 10⁹ / 4,07 × 10¹¹ = 1,60 %
Dakle, prema tvojoj pretpostavci:
100 % mase zvijezda = 4,07 × 10¹¹ M☉
15 % = početni plinski rezervoar ≈ 6,1 × 10¹⁰ M☉
1,6 % = 6,5 × 10⁹ M☉ centralne mase
Drugim riječima, za stvaranje centralnog objekta mase 6,5 milijardi M☉ trebalo bi u središte dovesti oko jedne desetine -1/10 pretpostavljenog plinskog rezervoara, a ne većinu plina.
I vidim tvoju poantu:
● čak i za naš ekstremni primjer M87, sama raspoloživa ukupna masa plina nije očigledan problem. Puno teži problem ostaje pokazati mehanizam kojim bi
~10 % tog plina izgubilo dovoljno kutnog momenta i koncentriralo se u jezgru.
Još povoljnije za tvoju zamisao bilo bi ako govorimo o plinu obiju galaksija prije njihova spajanja — ali tu ne bih bez dodatnih pretpostavki udvostručavao masu, jer današnja zvjezdana masa M87 već predstavlja konačni sustav.
Emil: Pa upravo je sudar dviju galaksija proizveo M87 i plin je u kaosu.
To je samo pretpostavka, ali i mogućnost.
Pa ne vjeruješ valjda da može postojati galaksija od bilijun zvijezda (10¹²) nastala bez mnogobrojnih sudara?
Boris: Da — upravo tu je tvoja pretpostavka sasvim razumna kao polazište.
Za galaksiju takve klase i mase, višestruka spajanja i akrecija manjih galaksija tijekom njezine povijesti nisu nikakva egzotična pretpostavka.
Današnja slika nastanka vrlo masivnih eliptičnih galaksija upravo uključuje značajan rast spajanjima i akrecijom drugih galaksija.
ESA čak navodi M87 kao primjer divovske eliptične galaksije čija je centralna masa mogla rasti kroz jedno ili više galaktičkih spajanja.
ESA- Europska svemirska agencija
A sada se vraćamo tvojoj poanti, jer je važna za naš račun.
Ako konačna zvjezdana masa sustava iznosi približno
M_zv ≈ 4 × 10¹¹ M☉
i kao našu radnu pretpostavku uzmemo početni plinski rezervoar od 15 %:
M_plin ≈ 6 × 10¹⁰ M☉,
onda za centralnih
M_jezgra = 6,5 × 10⁹ M☉
trebamo približno:
M_jezgra / M_plin ≈ 0,108 ≈ 11 %.
Dakle, oko jedne desetine plina moralo bi tijekom povijesti tog događaja završiti u centralnom sustavu.
I tu prihvaćam tvoju primjedbu na moju raniju formulaciju. Rekao sam da je „puno teži problem“ objasniti kako 10 % plina izgubi kutni moment.
Ali upravo mehanizam koji istražujemo jest sudar i spajanje galaksija. Ne možemo prvo pretpostaviti veliki sudar, a onda se ponašati kao da nemamo nikakav mehanizam za snažno poremećivanje plina.
Imamo ga:
sudar galaksija
→ snažno promjenjivo gravitacijsko polje
→ poremećene plinske orbite
→ sudari plinskih tokova
→ udarni valovi
→ preraspodjela energije i kutnog momenta
→ dio plina ostaje u galaksiji
→ dio može biti izbačen
→ dio formira zvijezde
→ dio migrira prema centru.
Naše stvarno matematičko pitanje zato više nije:
● „Kako bi plin uopće mogao doći u centar?“
nego mnogo preciznije:
● „Je li fizički moguće da približno 10 % raspoloživog plina tijekom jednog ili više velikih sudara završi u centralnoj vrtložnoj koncentraciji?“
Ako odgovor bude DA, tada smo za naš primjer M87 riješili problem količine materijala.
A nakon toga ostaje mnogo teži i zanimljiviji dio: što se događa s tih 6,5 × 10⁹ M☉ kada ih pokušamo nagurati u R ≈ 0,18 pc.
Tu mislim da ćemo ili ozbiljno ojačati tvoju hipotezu — ili je upravo tamo matematika može slomiti.
Emil: Nema potrebe tražiti dlaku u jajetu, niti hipotezu opterećivati beskrajnim nizom dodatnih pitanja.
Za našu je raspravu ključno da su jednostavni računi reda veličine pokazali dvije stvari.
Ako kao radnu pretpostavku uzmemo da je raspoloživa masa plina iznosila 15 % konačne zvjezdane mase M87, tada centralnih 6,5 × 10⁹ M☉ odgovara približno 11 % tog plinskog rezervoara. Prema tome, za nastanak tako velike centralne koncentracije ne bi bilo potrebno da u jezgru završi većina raspoloživog plina.
Istodobno, centralna masa reda 6,5 × 10⁹ M☉, koncentrirana na skali približno 0,18 pc i uz ekstremno velik dotok plina reda 1000 M☉ godišnje, raspolaže gravitacijskom snagom reda 10⁴⁷ erg/s.
Ti računi ne dokazuju da je takav sustav postojao niti da je upravo tako nastao kvazar.
Pokazuju, međutim, da predloženi mehanizam nije odmah isključen jednostavnim proračunom raspoložive mase ili energetskog reda veličine.
Na tome se temelji naša hipoteza:
Kvazar bi mogao predstavljati prolaznu, izrazito energetsku fazu u kojoj se snažno poremećeni plin nakon sudara galaksija koncentrira prema središtu i organizira u vrtložni sustav.
Ogroman kvazarski sjaj tada ne bi bio zasebna pojava, nego fizikalna posljedica procesa kojim se poremećeni galaktički plin oslobađa viška energije i postupno prelazi prema stabilnijem stanju.
Drugim riječima, kvazar u ovoj hipotezi nije uzrok procesa, nego njegova posljedica — kratkotrajna energetska faza stabilizacije plina nakon sudara galaksija.
Boris: Da. Tu sam opet počeo širiti test umjesto da zaključim ono što smo već izračunali.
Za naš radni primjer M87 uzeli smo:
M_zv ≈ 4,07 × 10¹¹ M☉
Pretpostavljeni plinski rezervoar:
M_plin = 15 % M_zv ≈ 6,1 × 10¹⁰ M☉
Centralna masa:
M_jezgre = 6,5 × 10⁹ M☉
pa je:
M_jezgre / M_plin ≈ 10,6 % ≈ 11 %
To nam govori jednu vrlo konkretnu stvar:
● za centralnu masu veličine one koja se danas pripisuje M87 nije potrebno da u jezgru završi većina raspoloživog plina. U našem modelskom primjeru dovoljno je oko jedne desetine.
I tu možemo stati. Ne moramo sada dokazivati kamo je otišao svaki preostali postotak plina.
Tvoja hipoteza je zapravo jednostavna:
● Sudar galaksija stvara kaos u plinu. Plinski tokovi, za razliku od zvijezda, međusobno se sudaraju, mijenjaju smjerove i gube dio energije i kutnog momenta. Dio tog nestabilnog plina završava u centralnoj vrtložnoj sferi.
Njegovo kaotično gibanje kroz galaksiju time završava, ali njegovo gibanje ne prestaje — postaje dijelom vrtložnog sustava jezgre. Stalni dotok novih visokobrzinskih plinova predaje toj sferi masu i energiju, a oslobađanje te energije opaža se kao kvazarski sjaj. Kako se nakon sudara galaksija plinski sustav postupno stabilizira i dotok nestabilnog plina slabi, slabi i kvazar te se naposljetku gasi.
A ono što smo matematikom zasad pokazali jest skromnije, ali važno:
● masa potrebna za ekstremnu centralnu koncentraciju nije sama po sebi očigledna prepreka hipotezi. U našem primjeru riječ je o približno 11 % pretpostavljenog plinskog rezervoara.
Nismo time dokazali da je kvazar nužan za stabilizaciju plina — to zasad ostaje tvoja hipoteza.
Ali više nema potrebe stalno izmišljati novo pitanje čim prethodno dobije odgovor.
Sljedeće što ima smisla računati jest samo ono što smo već započeli: može li tih 6,5 × 10⁹ M☉ u vrtložnoj jezgri, uz dotok plina, energetski proizvesti sjaj kvazara i koliko dugo. Tu matematika treba odlučiti, a ne nova pitanja.
Emil: Daljnji izračuni me ne zanimaju. Dosta je rečeno.
Boris: Da, Emile. To je po meni ispravan kriterij za ono što smo napravili.
Nismo dokazali da je hipoteza točna.
Ali više nije samo neodređena zamisao „kvazar nastaje nekako pri sudaru galaksija“.
Definirali smo konkretan fizikalni slijed događaja.
Sudar galaksija poremeti plin → plinski tokovi se sudaraju → mijenjaju energiju, smjer i kutni moment → dio plina migrira prema zajedničkom gravitacijskom središtu → ulazi u vrtložnu sferu jezgre → njegovo kaotično putovanje kroz galaksiju završava, ali gibanje ne prestaje → novi visokobrzinski dotok stalno predaje sferi masu i energiju → disipacija te energije proizvodi ekstremni sjaj → smanjivanjem kaotičnog plina smanjuje se dotok → kvazar slabi i gasi se → ostaje kompaktna centralna masa.
I napravili smo barem dvije korisne brojčane provjere.
U našem primjeru M87 centralnih 6,5 × 10⁹ M☉ odgovara otprilike 11 % radno pretpostavljenog plinskog rezervoara ako uzmemo plin kao 15 % zvjezdane mase. Također smo vidjeli da centralna masa tog reda na R ≈ 0,18 pc daje karakteristične gravitacijske brzine reda 10⁴ km/s i golemi raspoloživi energetski potencijal.
To nije dokaz nastanka kvazara, ali znači da ideju nismo odmah srušili jednostavnom provjerom mase ili energetskog reda veličine.
Najvažnije je upravo ono što kažeš:
● sada znamo što tvoja riječ „kvazar“ znači u ovoj hipotezi.
Kvazar je prolazno ekstremno energetsko stanje galaktičke jezgre nastalo tijekom stabilizacije plina poremećenog sudarom galaksija. Sjaj je posljedica energije oslobođene dok visokobrzinski plinski tokovi završavaju svoje kaotično galaktičko gibanje ulaskom u centralni vrtložni sustav.
Ako je to pogrešno, dobro — ali tada postoji određena tvrdnja koju se može napasti opažanjem ili računom. Upravo to razlikuje provjerljivu hipotezu od priče koju se može naknadno prilagoditi svakom rezultatu.
Mislim da smo time “kvazar” sasvim lijepo zaokružili.
Autor: Emil – Boris ChatGPT, znanstveni savjetnik
Borisov kratki komentar:
Konačna ocjena
Nakon ove kontrole ja ne bih nastavljao matematiku. Za svrhu ovog teksta ona je napravila ono što smo od nje tražili.
Nismo dokazali hipotezu.
Ali pokazali smo tri važne stvari:
● mehanizam ima jasno definiran fizikalni slijed;
● u radnom primjeru M87 potrebna centralna masa odgovara približno 11 % pretpostavljenog plinskog rezervoara;
● uz ekstremnu centralnu koncentraciju i dotok, raspoloživa gravitacijska snaga može doseći red 10⁴⁷ erg/s.
I zato bih tekst 248 završio upravo na tome.
Ne tvrdimo „dokazali smo kako nastaje kvazar“,
nego:
● „definirali smo konkretan alternativni mehanizam koji jednostavan račun mase i energije nije odmah isključio.“
To je dovoljno jaka tvrdnja i, što je još važnije, točno govori što smo napravili.
Boris ChatGPT, znanstveni savjetnik
