СТРУКТУРА ВЕЩЕСТВА ВСЕЛЕННОЙ

Введение

Возможности использовать термодинамический подход ко Вселенной наталкивается на известные трудности. Термодинамическая система – это система многих частиц, которые делятся на группы тождественных частиц (атомов или молекул). Эти частицы постоянно сталкиваются между собой, что позволяет ввести длину свободного пробега и средний квадрат скорости. Термодинамика твердых тел базируется на наличии нескольких типов тождественных многих частиц, колеблющихся около положения равновесия. Термодинамика жидкостей, в том числе плазмы, подразумевает наличие таких связей, как уравнение непрерывности, уравнения теплопереноса и т.д. Для системы или двух, трех, n соприкасающихся систем можно вести понятия равновесия, термостата и температуры.

Во Вселенной нет столкновений в термодинамическом смысле. Часть пространства заполнена галактиками, массы которых колеблются от 10¹ млрд. до 10³ млрд. солнечных масс.  Всего порядка звезд в видимой части (в нашей галактике – 10¹¹ звезд), порядка 10¹¹ галактик. Галактики сцепляются в скопления, 90% галактик – в скоплениях. Из них 10⁷ – сверхскопления из тысяч галактик,    – галактические группы,  - гигантские галактики, - карликовые галактики, и это лишь малая часть, т.к. 9/10 галактик от нас скрыто. Число астероидов не поддается учету.

Сверхскопления и отдельные галактики образуют цепочки (галактические нити, филоменты), например, цепочка Маркаряна – крупнейшие структуры во Вселенной, со средней длиной 60-80 Мпк. Филоменты заполнены очень горячим (миллионы и десятки миллионов градусов) и очень разреженным (1-10 атомов на м³) газом. По стандартной модели эволюции Вселенной галактические нити формируются и следуют вдоль сетевидных потоков тёмной материи. Другие части Вселенной, войды, размером в сотни Мпк – пусты. Цепочки располагаются между войдами. Цепочки и войды иногда образуют так называемые стены, например, Великая стена Слоуна. Великая стена CfA2, находящаяся от нас на расстоянии 200 млн световых лет, имеет толщину 15 млн световых лет и протяженность порядка 500 млн световых лет. Стена «Громадная группа квазаров» имеет размер 4 млрд. световых лет, Великая стена Геркулес – Северная корона – 10 млрд. световых лет. Наконец, предполагают существование еще не обнаруженного Великого Аттрактора, кластера множества сверхскоплений, притягивающего вещество нашего сектора Вселенной, к которому Млечный Путь стремится со скоростью 400 км/с.

Недавно обнаружилось, что число галактик ранее недооценивали в 10–20 раз, т.к. неверно определяли скорость образования галактик в ранней Вселенной. Есть отдельные холодные и тёплые облака, окружённые более горячим газом, а также реликтовые черные дыры.

Предполагается, что в масштабах порядка 300 Мпк Вселенная практически однородна и представляет собой совокупность нитевидных скоплений галактик, между которыми – войды.

В направлении созвездия Эридана находится холодное пятно, на 70 мкK холоднее среднего значения температуры реликтового излучения (больше, чем среднеквадратичное отклонение реликтового излучения 18 мкK). Его диаметр около 10 угловых градусов, предполагается, что это супервойд диаметром около 150-500 Мпс, который находится в 2-3 Гпс от Земли.

Внутри себя Галактики почти бесстолкновительны. То есть, использовать законы термодинамики внутри галактик – затруднительно. Чаще соударяются сами галактики. Если исходить из частоты соударений молекул в газе, частота соударений галактик порядка 10^-14 в год, реально – на два порядке меньше. Кроме того, столкновения галактик не носят характер соударений между молекулами, в случае их слияния (мержинга) в них активизируется процесс звездообразования. Следовательно, стандартная термодинамика к системам галактик неприменима.

Часть Вселенной – обычное вещество, 5%, из которого масса нейтрино – 0,1-3%, часть – темная энергия, 70-75%, часть – темная материя, 25-20%. Темная энергия не может участвовать в термодинамических процессах во Вселенной.

Масса межзвездного газа, включая излучение, составляет 99% всего обычного вещества во Вселенной (по другим данным – всего несколько процентов), 60% барионной материи – в межгалактическом пространстве.

Пыль – 1% от массы газа, на реликтовое излучение приходятся сотые доли общей массы вещества.

Межзвездный газ состоит из протонов, электронов, водорода, гелия, из их ионов, из излучения звезд. Именно эту часть, несмотря на отсутствие механизма теплопроводности, можно в некоторых задачах рассматривать как термодинамическую систему.

Межзвездный газ

Во Вселенной нет локального термодинамического равновесия, невозможно ввести понятие равновесия в целом, поскольку нет термостата, следовательно, нельзя ввести такой интенсивный параметр, как температура. Можно говорить лишь о термодинамике, например, электронов, спектр их энергий описывается распределением Максвелла, о термодинамике реликтового излучения (уравнение Стефана-Больцмана), о распределении по скоростям Больцмана, о термодинамике облаков газа, для которых можно записать 1-е начало термодинамики.

По количеству частиц с ненулевой массой покоя космические лучи на 92% состоят из протонов, на 6% - из ядер гелия, около ), 0,1% -1% числа атомов составляют О, С, N, Ne, S, Ar, Fe, и около 1% приходится на электроны. Кроме того - алифатические углеродные соединения, соединения жирного ряда, подобные смолам, образующиеся у некоторых звезд. Считают, что 30% межзвездного углерода, наполняющего космическое пространство, может состоять именно из этих жиров. Кроме того, микрометеориты  от 1 до 180 мкм (космическая пыль) – 1% массы межзвездного газа, плюс нейтрино от сверхновых и реликтовое излучение, плотность которого составляет порядка 10^-34 г/см³ (0,25 эВ/см³ или 4·10⁻¹⁴ Дж/м³ или 400-500 фотонов/см³), что на 4 порядка меньше оценок плотности веществе во Вселенной, электромагнитный диффузный фон, фотоны видимого спектра, рентгеновские лучи и гамма-кванты. Некоторые галактики, например, Млечный Путь, испускают гамма-кванты в виде пузырей.

Космические лучи на 43% состоит из энергии протонов, на 23% — из энергии альфа-частиц и 34% из энергии, переносимой остальными частицами.

В межпланетном пространстве содержится около 10 молекул водорода и гелия на 1 см³; в межгалактическом пространстве содержится 10^-6 молекул в 1 см³.

По другим данным средняя плотность межзвездной среды – менее 1 атома вещества на 1 см³ [1, 2].

Таким образом, длина свободного пробега , где n – концентрация частиц, а - эффективное сечение, крайне велика, порядка 10¹² м, а вероятность рассеяния  , где r – среднее расстояние между частицами, исчезающе мала. Соответственно, для сферических частиц диаметра d, в частности, для водорода или гелия, на 4 порядка не выполняется вытекающее из закона Клапейрона-Менделеева соотношение , где давление p – порядка 10^-14 Па (газокинетическое сечение упругого рассеяния атомов или молекул на большой угол при тепловых энергиях имеет величину порядка 10^-19 /м²).

Соотношение выполняется, если брать другие данные [3-5], согласно которым концентрации частиц межзвездного газа – 10³/см³. Однако в таком случае масса межзвездной среды на 1-2 порядка превосходит оценку массы Вселенной 10⁵² кг, если ее радиус – порядка 10²⁶ м.

В обычном газе модель соударений – лишь грубое приближение, например, молекула не обязательно ударяется о стенку объема, в реальности она подлетает к ней, некоторое время удерживается на ней и отлетает. При этом в среднем выполняется закон сохранения импульса. Поэтому, несмотря на крайне редкое число соударений частиц межзвездного газа, для него можно ввести температуру, пропорциональную среднеквадратичной скорости частиц газа , которые, в отличие от звезд и галактик, могут оказывать давление на стенки достаточно большого объема, наподобие звездного ветра.

Температура межзвездного молекулярного газа - в диапазоне от -269 до -167°С, в межзвездных ударных волнах (см., напр., [6]) температура может превышать 1 млрд. К, в скоплениях галактик типичные температуры составляют млн. K, в коронах галактик различного возраста за 10 млрд. лет температура выросла с 200 000 К до 2 млн К. В то же время температура туманности Бумеранг в созвездии Центавра, находящегося в 5000 световых лет от Земли за счет быстрого расширения составляет лишь 1 К, ниже температуры реликтового излучения. Недавно обнаружены нити плотного газа из высоко ионизированных атомов кислорода при температуре 60 млн К, которые составляют  30% всей барионной материи [7].

Специфика межзвездного газа – во-первых, в притяжении галактик, во-вторых, в процессе звездообразования, оба процесса приводят к локальному разогреву на фоне расширяющейся Вселенной.

Гравитационное притяжение и гравитационное отталкивание

По определению вечный двигатель второго рода - неограниченно долго действующая машина, которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел. Невозможность осуществления вечного двигателя второго рода постулируется в термодинамике в качестве одной из эквивалентных формулировок второго начала термодинамики: во всех необратимых процессах энтропия изолированной системы неизменно возрастает: .

Вселенная, являясь изолированной системой, не обменивается теплом, поэтому , следовательно, и . Адиабатический процесс, при котором S = const,  обратим. Кроме того, в отличие от расширения газа в пустоту, в случае расширения Вселенной пустота отсутствует. То есть, представления о невозможности вечного двигателя 2-го рода ограничены локальными системами.

В [8, с. 64, 119] сформулирован закон сохранения энтропии в сопутствующей, т.е. расширяющейся системе, , где s – плотность энтропии, которая падает с увеличением радиуса . Что подтверждает вывод о сохранении энтропии в объеме всей Вселенной. Это, казалось бы, подтверждает и справедливость предыдущего утверждения. Однако в [8] указывают, что это ковариантный закон. Но дело в том, что S является аддитивной величиной, поэтому данное соотношение справедливо для любых расширяющихся изолированных систем.

Таким образом, версия тепловой смерти Вселенной из-за роста энтропии или законов термодинамики газов несостоятельна.

Введение только классического гравитационного поля нарушает 2-й закон термодинамики (в известной задаче о нагреве двух шаров, на подставке и на нити, см. [9]. Закон можно сохранить, как это и предлагается в [10], путем введения энергию шаров в гравитационном поле Земли во внутреннюю энергию. Следовательно, в общем виде внутренняя энергия

U → U + E_g

,

Где E_g - потенциал внешнего гравитационного поля. Тогда можно записать видоизмененный 1-й закон термодинамики будто бы в дифференциалах:

dQ = d(U + E_g) + dA

Во Вселенной роль сил Ван-дер-Ваальса играют силы гравитации. Можно представить давление в уравнении Ван-дер-Ваальса как внутреннее давление, определяемое законом Хаббла, как силу антигравитации по Глинеру. Если представить Вселенную в виде шара, вся масса которого в центре, то в классическом случае и приближенно работа, совершаемая при расширении Вселенной для участка сферы ds:

dA~ (GM/r² + H d²r/dt²)drds

Однако включение гравитационного поля не исчерпывает трудности. Дело в том, что, с одной стороны, параметр объема подчиняется не термодинамическим законам, а задается извне законом Хаббла, нельзя утверждать, что объем увеличивается с температурой.

С другой стороны, в системе наличествуют включающиеся и выключающиеся внутренние источники тепла, например, в виде термоядерных реакций, т.е. процесс не адиабатический.

Противоречие же в том, что любая космическая система, любой выбранный объем во Вселенной - не являются замкнутыми, поскольку отдают тепло в постоянно расширяющийся объем, но этот возникающий объем «одновременно» включается в систему.

Реликтовое излучение

Предсказанное Гамовым реликтовое излучение отделяется от вещества эпоху рекомбинации. По первым оценкам Гамова температура космического излучения - примерно 3-7 К [11]. В 1955 году Тигран Шмаонов экспериментально обнаружил шумовое СВЧ-излучение с температурой около 3 K. В 1964  А. Пензиас и Р. Вилсон открыли космический фон излучения и измерили его температуру - 3 К.

По определению смещение z – это частное от деления длин волн, из закона Вина, что максимальная длина волны 0,29/Tполучим T = T₀ (1+ z). Соответственно, для удаленных  галактик температура фонового излучения выше, с помощью телескопа Кека получены спектры двух квазаров с красными смещениями z = 1.776 и z  = 1.973, что показывают, что они облучаются тепловым излучением с температурой 7.4 ± 0,8 К и 7,9 ± 1,1 К, что соответствует расчетным данным T(1,776) = 7,58 К и T(1,973) = 8,11 К.

Казалось бы, тем самым теория Гамова подтвердилась.

Температура реликтового излучения – 2,7 К., в то время как средняя температура межзвездного газа – 4 К. Представим пространство Вселенной как сосуд, в котором между различными газами убрали перегородки. Температура смеси газов определяется через частное сумм по формуле:

T = [T_i p_iV_i (C_pi/C_vi – 1)]/ [p_iV_i (C_pi/C_vi – 1)]

Для одноатомных газов, когда сумма внутренних энергий не меняется, равновесная температура определяется из легко получаемого соотношения:

T = ( T_i /m_i )/ (1/m_k )

то есть, выражается через гармонические средние. Между тем температура межзвездного пространства – 4 K, в то время как температура реликтового излучения – 2,7 K, т.е. за миллиарды лет равновесие так и не установилось (см. [12], также [13, с. 150-151]). Таким образом, температуры реликтового излучения и остального межзвездного газа должны были выровняться.

Обычно в числе причин отсутствия локального термодинамического равновесия указывают на то, что, например, электронная и ионная температуры межзвездного газа могут сильно отличаться друг от друга, т.к. обмен энергией при соударении происходит крайне редко. Кроме того, в межзвёздной среде прямые и обратные процессы ионизации и рекомбинации имеют разную природу, и поэтому детальный баланс установиться не может. Малая оптическая толщина для жёсткого излучения и быстрых заряженных частиц приводит к тому, что энергия, выделяющаяся в какой-либо области пространства, уносится на большие расстояния, и охлаждение идёт по всему объёму сразу, а не в локальном пространстве, расширяющемся со скоростью звука в среде. Аналогично происходит и нагрев, причем механизм теплопроводности не способен передать тепло от удалённого источника.

Однако всё перечисленное не имеет отношения к балансу между реликтовым излучением и остальным межзвездным газом, который должен был бы установиться в течение более чем 13 млрд. лет.

Если температура реликтового излучения оказалась ниже, за счет указанного Зельдовичем обратного эффекта Комптона энергия реликтовых фотонов должна увеличиваться, и за миллиарды лет температура реликтового излучения должна была сравняться с температурой межзвездного вещества.

Расширение газов

В газовых облаках у разных слоев газа температура может быть различна. Пусть n_i – число частиц i-го слоя, n_i/T_i – оптическая толщина i-го слоя, сумма оптических толщин равняется полному числу атомов, деленному на среднюю температуру, соответственно, средняя температура выражается через суммы

T = T_i n_i /n_j

Рассмотрим уравнение состояния межзвездной среды вне облаков и галактик. При нерелятивистских скоростях вследствие малой плотности вещества межзвездная среда является классической.

Расширение Вселенной - адиабатический процесс, система не отдает теплоту и не получает ее извне. Обозначим отношение теплоемкостей b = C_p / C_v . При адиабатическом расширении идеального газа 

pV^b = k , где k – константа. В идеальном газе при адиабатическом расширении температура падает в зависимости от величины b. Из 1-го начала термодинамики нетрудно получить зависимость уменьшения температуры от объема в отсутствие теплообмена: TV^b-1 = const.

То есть, для идеального газа при увеличении объема температура  медленно уменьшается. Уравнение для внутренней энергии имеет вид:

dE = - kV^-b dV, E = - kV^1-b /(1- b) + c

Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса складывается из его кинетической энергии (энергии теплового движения молекул) и потенциальной:

Поскольку гравитационные силы на много порядков слабее ван-дер-ваальсовых, можно представить Вселенную как идеальный газ. Однако дело в том, что если представить содержимое Вселенной как идеальный газ, то его внутренняя энергия при расширении не зависит от объема, как было показано Джоулем в 1845 году. В газе Ван-дер-Ваальса  . Постоянные Ван-дер-Ваальса а и b учитывают притяжение между молекулами на больших расстояниях (постоянная а) и сильное отталкивание на малых (постоянная b). Это отталкивание делает недоступным внутреннее пространство молекулы для остальных молекул и уменьшает общий свободный объем.

Поскольку во Вселенной проникновение во внутренние пространства не имеет места, то постоянную b можно положить равной нулю. Причем постоянная а перестает быть постоянной: a ~ 1/r²  , a → a^’  , и

V(p + a^’q² /V^8/3 ) = qRt,

где r – радиус Вселенной, q - число молей, - новая константа. Т.е. в начальной стадии расширения, когда главную роль играет член a^’ /V^8/3 , температура быстро падает. При больших объемах, когда 2-й член в правой части мал, температура уменьшается медленно, т.к. давление с ростом объема падает.

При адиабатическом расширении газа Ван-дер-Ваальса

dT ~ dV/V². Т.е. температура  падает обратно пропорционально объему, что явно не соответствует реальности.

В более адекватной для малых давлений модели Дитеричи

pV = RT exp (-a/RTV),

т.е. при a = 0, картина приблизительно та же: поскольку взаимодействие между атомами разреженного газа мало, можно использовать соотношение для идеального газа pV^b = const,

T ~ exp (a/RTV)/V^b-1

   и, учитывая, что при больших объемах показатель в экспоненте стремится к нулю, видим, что температура медленно падает при увеличении объема точно так же, как в идеальном газе.

В реальном газе при расширении в пустоту среднее расстояние между молекулами увеличивается, силы притяжения совершают отрицательную работу, и потенциальная энергия увеличивается. Поскольку полная внутренняя энергия остается постоянной, кинетическая энергия молекул, а значит, и температура газа, уменьшаются. Медленность уменьшения обусловлена слабым взаимодействием между частицами газа. Таким образом, все части межзвездной среды крайне медленно остывают с расширением Вселенной, в том числе и реликтовое излучение, но остывают по-разному.

Термодинамика фотонного газа существенно иная, уравнение его состояния

pV = E/3

Поскольку E аддитивна, давление не зависит от объема.

Внутренняя энергия фотонного газа прямо пропорциональна объему, в то время как энергия обычного газа пропорциональная объему в степени (1 – С_з /С_v ).

По-разному меняется также и плотность разных компонент среды. Поскольку S = const, из уравнений

dE = pdV, плотность = E/V, получаем зависимость дифференциала плотности от радиуса Вселенной (или масштабного фактора) ~ - dr/r ; для плотности излучения ~ r^-4, поскольку энергия обратно пропорциональна длине волны , для остального плотность ~ r^-3 .

Следовательно, при расширении Вселенной у фотонного газа и остального межзвездного газа должны установиться различные температуры.

Эффект Фуллинга – Девиса - Унру

Фотонный газ Унру возникает каждый момент времени и не может приходить в равновесие с окружающей средой. Следовательно, можно было бы предположить, что измеряемое реликтовое излучение на самом деле и есть излучение Унру.

В силу принципа относительности Млечный Путь - такая же галактика, как и остальные – она тоже отдаляется с ускорением от других галактик. В таком случает, Млечный Путь должен быть пронизываем излучением. В силу принципа относительности в любой точке Вселенной температура излучения Унру одинакова. Все галактики, находящиеся на расстояниях меньше радиуса Вселенной, дают меньший энергетический вклад в излучение Унру.

Температура наблюдаемого излучения Унру выражается той же формулой, что и температура излучения Хокинга, но зависит не от поверхностной гравитации, а от ускорения системы отсчета a:

T = ha/kc ~ 10^-21 a

Энергия фотонного газа –  E ~ VT⁴ , число фотонов – N ~ VT³ . Используем закон Хаббла v = Hr, a = H²r , где r  - радиус Вселенной. Оценим энергию современного фотона Унру на Земле, принимая постоянную Хаббла равной 10^-18:

E ~ 4,2 kT ~ 10^-52 Дж    (1)

Угловое ускорение вращения диска Млечного пути дает энергию фотона Унру порядка 10^-34 Дж, ускорение вращения Местной группы – на несколько порядков меньше. Эпоха инфляции продолжалась от 10^-42 до 10^-36 сек. В это время 10³⁶ c^-1 < H < 10⁴² c^-1, радиус – порядка 10^-2. Возьмем меньшее значение, тогда по окончании эпохи инфляции энергия фотона Унру – порядка 10³⁰ Дж.

Оценим энергию реликтового излучения:

E ~ hw ~ 10^-22 Дж

Если выбрать период 380 000 лет, когда излучение отделилось от вещества, и даже момент после Темных веков 550 млн лет от Большого взрыва, то, проинтегрировав закон Хаббла, нетрудно видеть, что энергия фотонов Унру мало чем отличается от современной, поскольку экспонента с малым значением постоянной Хаббла близка в единице.

Можно найти такую временную точку, когда плотность межзвездного газа скачком становится настолько низкой, что столкновения с фотонами становятся критически редки. Это время образования звезд через 550 – 800 тыс. лет, но и через этот период времени, если считать размер Вселенной в соответствии с законом Хаббла, энергия фотонов Унру почти не изменилась. Однако механизм Унру генерировал частицы весь период расширения Вселенной. То есть, должны быть промежуточные по величине параметры H и r, при которых энергия фотона Унру равна энергии реликтового фотона.

Очевидно, что фотоны Унру высоких энергий должны были исчезнуть за счет образования множественных пар частиц, но возникает вопрос об исчезновении спектра низкоэнергетических фотонов, который должен быть сплошным. Они снимается, если величина постоянной Хаббла уменьшилась за крайне короткий промежуток времени.

Через 380 000 лет после Большого взрыва красное смещение z ~ 1000, температура реликтового газа равновесна с остальной средой – T ~ 3000 K, плотность реликтового газа - около 4·10¹¹ /см³.

Поскольку в момент отделения излучения от барионной материи температура излучения - 3000 К, а размеры Вселенной были примерно в 1000 раз меньше современных, из предположения близости температуры газа Унру по порядку к температуре реликтового газа, можно сделать оценку промежуточного значения коэффициента Хаббла в момент времени 380 000 лет от Большого взрыва:

H ~ 4 x 10^-5 c^-1

Таким образом, фотоны Унру могут играть роль фонового излучения с температурой 2,7 К.

Эволюцию Вселенной представляют следующим образом: белые карлики остынут до 1 К через 10¹⁷ лет. Через 10¹⁹ лет нейтронные звезды остынут до 30 К. Через 10³² лет вещество распадется на фотоны и нейтрино. Самые массивные черные дыры в центрах галактик испарятся в течение 10⁹⁶ лет. Но это неполная картина.

Согласно закону Хаббла галактики разбегаются с ускорением. Оно снизилось на десятки порядков за эпоху инфляции, однако с эпохи 5-6 млрд. лет величина ускорения медленно увеличивается. Чем больше удаляется галактика, тем выше становится ее скорость. При ускорении возникает эффект Фуллинга – Унру, рождение пар частиц из вакуума.

Млечный Путь - точно такая же, как и остальные, галактика – она тоже отдаляется с ускорением от других галактик. В таком случает, когда ускорение Млечного Пути достигнет определенной величины, галактика будет пронизана излучением. Исходя из закона Хаббла ускорение a = H² r, r = r₀ exp (Ht), учитывая, что современный радиус Вселенной r ~ 10²⁷ , и принимая для оценки, что постоянная Хаббла равномерно увеличивалась за 7 млрд. лет до современной величины 10^-18, можно посчитать, когда ускорение достигнет обозначенного уровня: r² exp (10^-36 t ) ~ 10⁶⁴ c² , откуда t ~ 3 x 10²⁴ лет. То есть, после остывания белых карликов и нейтронных звезд, но задолго до распада вещества галактики начнут постепенно нагреваться.

Темная материя

Тёмная материя, составляющая примерно 25% массы-энергии Вселенной, не участвует в электромагнитном взаимодействии, соответственно, недоступна прямому наблюдению, проявляется только в гравитационном взаимодействии и влияет на скорость расширения Вселенной. Понятие тёмной материи введено для объяснения проблемы скрытой массы в эффектах аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик и гравитационного линзирования; в них задействовано вещество, масса которого намного превышает массу обычной видимой материи.  Предполагается, что темная материя состоит из вимпов (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle), гипотетических слабовзаимодействующих массивных частиц. Масса вимпов должна быть минимум в несколько десятков раз больше массы протона M_p = 10^-27 кг. В то же время вимпы не входят в Стандартную модель. В суперсимметричных теориях рассматриваются также стабильные нейтралино. В различных не подтвержденных экспериментах наблюдался возможный сигнал от вимпов с массой порядка 4-19 M_p.

Тёмные или поглощательные туманности, типы межзвёздного облака, не являются темной материей, они настолько плотны, что поглощают видимый свет от эмиссионных или отражательных туманностей (как, напр., туманность Конская Голова) или звёзд (как, напр., туманность Угольный Мешок), находящихся позади. Во внутренних частях тёмных туманностей рождаются звезды, протекают другие активные процессы. Однако возможно, что темную материю может образовывать космическая пыль особого рода.

Размер частиц космической пыли составляет от нескольких молекул до 0,2 мкм. Пыль Солнечной системы включает в себя кометную пыль, астероидную пыль, пыль с пояса Койпера и межзвёздную пыль, проходящую через Солнечную систему. Плотность пылевого облака, через которое проходит Земля, составляет примерно 10⁻⁶ частиц пыли на м³. За сутки в атмосферу Земли попадает, по различным оценкам, от 5 до 300 т космического вещества, в том числе пыли. Частицы пыли взаимодействуют с электромагнитным излучением, характер отражённого излучения зависит от размера частиц, поперечного сечения, структуры, показателя преломления, длины волны электромагнитного излучения, и т. д. Плотность частиц межпланетной пыли в стратосфере Земли – 1-3 г/см³ со средней величиной около 2,0 г/см³. Околозвёздная пыль состоит из молекул CO, карбида кремния, силикатов, полициклических ароматических углеводородов, льда и полиформальдегида. Частые компоненты частиц пыли - графит, оксид алюминия, шпинель и др., которые конденсируются при высокой температуре из охлаждённого газа, возникающего при звёздных ветрах или при декомпрессии внутренней части сверхновой.

В уравнении Шредингера фигурирует энергия электрона в электрическом поле ядра. Если ее заменить на гравитационную, то гравитационный боровский радиус –

Для протона и электрона первый боровский радиус больше радиуса Вселенной, 10²⁸ м. Если принять, что квантовые свойства проявляются на расстояниях порядка 1-го боровского радиуса 10^-10 - 10^-11 м, то

2a + b = -(43-44),

где a и b – показатели степени, например: . Слагаемые могут принимать значения: - 15 и - 13, - 16 и – 11, или - 16 и -12, - 15 и -14  и т.д., которые входят в диапазон масс космической пыли - от 10^-16 кг до 10^-4 кг. То есть, в космической пыли должны возникать связные состояния, которые не излучают электромагнитные волны, т.к. частицы пыли нейтральны, и для перехода с орбиты на орбиту взаимодействуют не с электромагнитным, а с гравитационным вакуумом.

Соединения типа макромолекул, а также образованные под действием межмолекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса, диполь-дипольного, потенциальная энергия которого спадает с радиусом , диполь-дипольного индуцироованного ( ), лондоновского дисперсионного и дисперсионного Слэтера - Кирквуда ( ) с разными коэффициентами пропорциональности и в первом типе с зависимостью от температуры,  не могут быть темной материей, поскольку способны излучать и поглощать электромагнитные волны.

Возможно, что подобные темной материи области космической пыли возникают вследствие сепарирования по массам центробежной силой, возникающей при вращении галактик, таким образом, они обособляются от остальной космической пыли.

Заключение

Модифицированный 1-й закон термодинамики позволяет учесть вклад темной материи в локальные термодинамические процессы.  Выражение для работы позволяет рассчитать вклад антигравитации во внутреннюю энергию Вселенной.  Анализ уравнений термодинамики показывает, что остывание межзвездной среды во Вселенной с расширением замедляется. Учет фотонов Унру дает возможность расширить рамки термодинамического подхода к Вселенной. Если предположение о фотонах Унру как о  излучении верно, то наблюдаемый фон не может быть одним из подтверждений теории горячей Вселенной. Если предположение о связных состояниях в космической пыли соответствует реальности, оно может быть шагом к построению квантовой гравитации.

Литература

1. Бочкарев Н. Г. Основы физики межзвездной среды. М., URSS. 2020. 352 с.
   2. Кононович Э. В., Мороз В. И. Общий курс астрономии. М., Едиториал УРСС. 2004. 544 с.
2. А.В. Засов, К.А. Постнов. Общая астрофизика.— М.: МГУ, 2006. 576 с.
3. Dyson J., D.A. Williams. Physics of the Interstellar Medium, London: CRC Press, 1997. 165 p.
4. Ferriere K. The Interstellar Environment of our Galaxy // Reviews of Modern Physics. 2001. Т.73(4). P. 1031–1066.
5. Лихнерович А. Теория относительности и математическая физика. В сб. «Астрофизика, кванты и теория относительности», М., Мир, 1982. С. 169-203.
6. Nicastro F, Kaastra J., Krongold Y. et al. Observations of the missing baryons in the warm–hot intergalactic medium // Nature. - 2018. - Vol.558. -P. 406–409. DOI https://doi.org/10.1038/s41586-018-0204-1
7. Горбунов Д. С., Рубаков В. А. Введение в теорию ранней Вселенной. Теория горячего Большого взрыва. М.: ЛКИ, 2008. 552 с.
8. Palma G., Normale S., Sormani M. C., Peierls R. Counterintuitive effect of gravity on the heat capacity of a metal sphere: re-examination of a well-known problem.

https://arxiv.org/pdf/1502.01337.pdf

11. Gamov G. A. Physics Today, 1950. №3(8), P. 76; Gamow G. Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab, Mat.-Fis. Medd. 1953. 27 (10). 1.
12. Ихлов Б. Л. Термодинамический подход в космологии. Евразийский научный журнал. 2019. №1. http://journalpro.ru/articles/termodinamicheskiy-podkhod-v-kosmologii/?sphrase_id=14205
13. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. М.: Наука, 1975. 736 с.