Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках - Мухин Лев Михайлович - Страница 29

Качественная картина возникновения и роста сгущений справедлива лишь для бесконечной, однородной среды, содержащей затравочные флуктуации. Пионерские работы, в которых исследовалось поведение малых возмущений в однородной расширяющейся среде, были выполнены в нашей стране сразу после войны академиком Е. Лифшицем. Эти работы показали, что в реальном случае расширяющейся Вселенной участки среды с большей плотностью будут расширяться несколько медленнее, чем Вселенная в целом. Это понятно, поскольку тяготение в этих участках сильнее, и оно будет препятствовать расширению. Эти области будут постепенно отставать в расширении от Вселенной, а в какой-то момент времени они и совсем перестанут расширяться. Они как бы отключатся от общего космологического расширения Вселенной.

Теория, развитая Е. Лифшицем, позволяет аккуратно и точно рассчитывать временную эволюцию сгущений и их начальную величину. И вот именно здесь возникают весьма серьезные трудности.

Мы уже говорили о процессах конденсации влаги в атмосфере. В этих процессах также велика роль флуктуаций плотности. Они носят чисто тепловой характер. Эти флуктуации возникают из-за случайного повышения плотности воздуха в силу хаотического движения молекул газовой среды. Кстати говоря, Джинс в своих работах рассматривал именно тепловые флуктуации как затравочные центры гравитационной неустойчивости.

Не представляет особенной сложности оценить величину чисто тепловой флуктуации плотности, в системе из N частиц. Это может быть стакан воды, атмосфера, район Вселенной, содержащей число частиц, соответствующее, к примеру, числу частиц в нашей Галактике (≈ 10⁶⁸). Поскольку для любой термодинамической системы относительное значение флуктуации плотности равно просто 1/√N, то для N = 10⁶⁸ относительная величина теплового возмущения плотности равна 10^–34.

Пора, наконец, сказать, что относительная величина возмущения плотности определяется как (ρ_φ – ρ_c)/ρ_c, где ρ_φ — плотность в районе возмущения, а ρ_c — средняя плотность среды. Итак, тепловые флуктуации дают очень небольшие отклонения от средней плотности среды. Но теория Лифшица требует, чтобы в момент времени, равный одной секунде после Большого Взрыва, во Вселенной существовали начальные возмущения, относительная величина которых никак не меньше 10^–17. Как мы видим, разница здесь огромная.

Казалось бы, что такое 10^–17? Очень маленькая величина. Но в то же время она на 17 порядков превышает значение чисто тепловых флуктуаций. И именно вопрос о том, какие процессы в ранней Вселенной могли привести к появлению флуктуаций требуемой величины, мучает теоретиков уже многие годы.

Число нерешенных проблем в этой области как туман закрывает от нас таинство происхождения галактик. Разумеется, картину нельзя назвать уж совсем безрадостной. Общий подход здесь более или менее ясен. Были малые начальные флуктуации, работала гравитационная неустойчивость, и на небе астрономы отчетливо видят галактики. Нужно лишь проследить и описать в рамках какой-то разумной теории всю эту картину. Но когда теоретики пытаются прийти к общей точке зрения по поводу ключевого вопроса в этой проблеме, вопроса о начальных возмущениях, выросших впоследствии в галактики, в их лагере сразу же появляются противоречия и споры не утихают по сегодняшний день.

Нынешнее время в теории образования галактик — эпоха поиска; окончательной, завершенной картины нет, есть только наброски. Но и по этим наброскам мы вправе попытаться представить себе общий ход событий, помня, разумеется, что наши сценарии будут в значительной мере предварительными. Ведь даже вопрос о том, с каких образований — крупных или небольших — началось структурирование мира, решается разными учеными совершенно по-разному.

А вопрос этот принципиальный. Ведь наблюдательные данные достаточно убедительно свидетельствуют о том, что в необозримых просторах Вселенной галактики образуют огромные космические соты — сверхскопления, окружающие гигантские «черные области» — пустоты.

Возникновение подобных структур требует наличия очень больших начальных изолированных масс: 10¹⁵–10¹⁶ М

. Эти массы под действием гравитации начинают сжиматься, причем происходит это весьма своеобразно. Сжатие первоначального объекта начинается в эпоху отделения излучения от вещества (когда излучение перестает взаимодействовать с веществом). Исчезновение давления излучения приводит к развитию гравитационной неустойчивости, которая «подтягивает» вещество к области повышенной плотности.

Расчеты показывают, что сжатие вещества будет анизотропным. Если, к примеру, сначала исходный объект имел форму куба, то впоследствии он сожмется в пластинку. Такую пластину авторы модели назвали «блином».

Первоначально изолированные друг от друга плоские «блины» очень скоро вырастают в плотные слои. Эти слои пересекаются, и наконец в процессе их взаимодействия образуется ячеисто-сетчатая структура, где стенками огромных пустот служат блины. Отдельный блин представляет собой сверхскопление галактик, имеющее уплощенную форму.

«Блинная» модель, или, точнее сказать, теория, не свободна от недостатков. Она находится в противоречии с данными наблюдательной астрономии. Ведь исходные возмущения должны быть по этой теории столь велики, что современные способы оценки флуктуаций реликтового фона обязаны были бы зарегистрировать соответствующие отклонения в температуре. Однако этого не случилось. И поэтому для спасения блинной теории необходимо предположить, что плотность Вселенной была выше, чем думали ранее.

Сталкивающиеся галактики.

На роль спасителей теории блинов претендуют сейчас нейтрино, поскольку, как мы знаем, есть указания на то, что их масса покоя не равна нулю, или какие-то пока ненаблюдаемые частицы. С учетом массивных нейтрино теория блинов совмещается с наблюдениями реликтового излучения. Авторы теории надеются к концу XX века завершить построение общей теории.

Существуют, однако, и другие подходы к проблеме структурирования. Теория блинов оперирует лишь со сверхструктурой Вселенной, не отвечая на вопрос о происхождении более мелких образований — галактик. А ведь нас в первую очередь интересует именно это. Для решения этого вопроса придется снова вернуться к массе Джинса.

Тщательный анализ эволюции возмущений плотности различных типов в ранней Вселенной показывает, что ко времени рекомбинации остается два выделенных масштаба масс: 10⁶ и 10¹² солнечных масс. Случайно ли то обстоятельство, что массы шаровых скоплений составляют около миллиона солнечных масс, а массы наиболее массивных галактик и небольших скоплений приближаются, в свою очередь, к величине 10¹² М

.

Безусловно, этот факт заслуживает внимание. Соответственно, появилась очередная космогоническая гипотеза, согласно которой из первичных возмущений с массой 10⁵–10⁶ М

возникло «все» — и шаровые скопления, и галактики, и скопления галактик. В этой теории существенно то обстоятельство, что масса исходного сгустка сравнима с массой Джинса. Поэтому силы давления также сравнимы с силами гравитации.

Гигантская галактика.

Процесс сжатия здесь отличается от случая, когда гравитация полностью преобладает над давлением. Сжатие такого сгустка не может привести к образованию блина, так как давление сглаживает любую анизотропию. Поэтому первичные объекты, образовавшиеся в результате сжатия сгустков вещества с массой 10⁵ солнечных масс, сферически симметричны. Они сразу фрагментируют на звезды, образуя шаровое скопление. Затем отдельные шаровые скопления при взаимодействии друг с другом собираются в галактики, а галактики, в свою очередь, образуют скопления.