Общая астрономия. Гравитационная неустойчивость Вселенной


Карта сайта

            
Астрономия
древнейшая из наук
 Античная астрономия
 Хронология астрономии
 Современная астрономия
Основы астрономии
 Начала астрономии
 Время и небесная сфера
 Созвездия
 Движение небесных тел
 Астроприборы
 Астрофизика
 Обзоры астрооборудования
 Астрономические наблюдения

Общая астрономия
 Солнечная система
 Звезды
 Наша Галактика
 Внегалактическая астрономия
 Внеземные цивилизации
 Астрономы мира и знаменательные даты

Дополнительно
 Форумы Astrogalaxy.ru
 Астрономия для детей
 Планетарии России
 Это интересно
 Новости астрономии
 О проекте






Общая астрономия. Гравитационная неустойчивость Вселенной

При высоких температурах и плотностях в ранней Вселенной не было ни звезд, ни галактик. Даже атомные ядра тяжелее протона не могли существовать изначально, а атомы возникли только в эпоху рекомбинации, спустя миллион лет после начала космологического расширения. Можно сказать, что «с самого начала» во Вселенной не было никаких связанных образований — ни микроскопического масштаба, т. е. масштаба атомных ядер, ни астрономического масштаба. Однако полная бесструктурность, идеальная однородность и изотропия го всех масштабах, была невозможна. Какие-то отклонения от однородности и изотропии существовали, вероятно, всегда, и охватывали значительные массы вещества, соответствующие массам наблюдаемых космических систем — от звезд до самых крупных скоплений и сверхскоплений галактик. Это была дозвездная, догалактическая структура Вселенной. Но ее элементами служили не изолированные сгущения вещества, а слабые и расплывчатые нерегулярности среды, которые в физике принято называть малыми возмущениями. Современные представления о возникновении астрономических структур целиком опираются на космологическую теорию, дающую общую схему развития Вселенной как целого.

Космология отвлекается от таких «деталей» устройства Вселенной, как звезды, галактики или даже целые скопления и сверхскопления галактик, рассматривая их как случайно движущиеся «точки», из которых складывается, как газ из молекул, метагалактическая среда. Средняя плотность метагалактической среды однородна, т. е. одинакова в масштабах, превышающих 100—300 Мпс; это следует из подсчета звезд и галактик в соответствующих объемах пространства — число звезд и галактик в любом объеме достаточно большого размера одинаково, где бы такой объем мы ни выбрали. Космология указывает нам, что все вещество Вселенной находится в состоянии расширения. Этот вывод тоже относится лишь к крупным объемам, с размером 100— 300 Мпс и больше. Внутри же этих объемов звезды и галактики «не замечают» космологического расширения. Никакого собственного расширения, связанного хотя бы как-то с общим расширением мира, не происходит ни в звездах, ни в звездных системах; тем более нет такого расширения и в пределах нашей Солнечной системы. Астрономические объекты — от планет до скоплений галактик — «забыли», что в далеком прошлом составляющее их вещество было гораздо более плотным и горячим, что оно было тогда почти равномерно перемешано в пространстве и тоже испытывало общее расширение. Формирование астрономических систем требовало в первую очередь подавления этого общего расширения в соответствующих объемах среды. Единственной силой, способной это сделать, является сила тяготения, собственная гравитация вещества Вселенной. Сила тяготения всегда и везде стремится сблизить тела или частицы вещества. Она действует во всей Вселенной, и потому еще со времен Ньютона ее называют всемирной. Мы не знаем, почему происходит общее разбегание космических систем, но не сомневаемся, что с самых первых мгновений космологического расширения всемирное тяготение мешало расширению, тормозило его. Остановить расширение всей Вселенной тяготение не смогло — слишком сильным был начальный разгон; тяготению удалось сделать это только для ограниченных, хотя и очень больших по размеру и массе объемов мира. Можно думать, что возраст Галактики как звездной системы близок к возрасту ее самых старых звезд, оцениваемому в 10—12 миллиардов лет.

Вероятно, процесс формирования наблюдаемых астрономических тел начался 12—13 миллиардов лет назад, в эпоху, когда от начала расширения протек приблизительно 1 миллиард лет. Но с чего это началось — с самых малых или с самых крупных тел? Многое указывает на то, что первыми «отключились» от космологического расширения огромные массы вещества, сравнимые с массами скоплений и сверхскоплений галактик. Затем развивался процесс дробления этих масс и внутри них постепенно сформировалась вся иерархия астрономических систем. Это точка зрения Я. Б. Зельдовича. Основанная на ней картина формирования крупномасштабной структуры Вселенной представляется сейчас наиболее убедительной и подробно разработанной. Мы расскажем о ней далее. Другая точка зрения предполагает возникновение сначала каких-то более мелких тел, которые впоследствии скучиваются и образуют тела большего масштаба. Такая идея развивалась Дж. Пиблсом и Р. Дикке. Они предполагали, что первыми объектами во Вселенной могли быть тела с массами около миллиона масс Солнца; постепенно объединяясь, они образовывали галактики, а объединение галактик давало их скопления. Некоторые из первоначальных тел сохранились до сих пор, и представляются нам шаровыми звездными скоплениями, известными и в нашей Галактике, и в других галактиках. Роль собственного тяготения среды в формировании астрономических тел ощущалась задолго до современных космогонических исследований. И здесь первым был Исаак Ньютон. 10 декабря 1692 г. Ньютон писал Ричарду Бантли, ректору Тринити Колледжа в Кембридже: «Мне кажется, что если бы вещество нашего Солнца и планет и вообще все вещество Вселенной было бы равномерно распределено по всему пространству небес, а каждая частица вещества испытывала бы врожденное тяготение ко всем остальным, и полный объем пространства, в котором рассеяно это вещество, был бы конечным, то вещество с краев этого объема стремилось бы благодаря тяготению ко всему тому веществу, что в середине, и потому падало бы к центру этого пространства и составило бы там единую большую сферическую массу. Но если бы это вещество было равномерно распределено по бесконечному пространству, оно никогда не слилось бы в единую массу; какая-то его часть сгущалась бы в одну массу, а другая в другую, так что возникло бы бесконечное число больших масс, разбросанных по всему этому бесконечному пространству на большие расстояния друг от друга. И так могли бы образоваться Солнце и неподвижные звезды, если предположить еще, что по своей природе это вещество было светящееся. Но вот каким образом вещество могло бы разделиться на две части и та, что годится на это, слилась в светящееся тело, тогда как другая осталась темной или превратилась в темную, когда первая осталась неизменной,— это уже, на мой взгляд, нельзя объяснить одними только естественными причинами и я должен приписать это мысли и деянию исполненного волей Творца». В этом знаменитом космогоническом наброске Ньютон разделяет проблему на то, что подлежит и что не подлежит научному исследованию и объяснению. К последнему он отнес вопрос, почему звезды (светящееся вещество) светят, а планеты (темное вещество) — нет. Это действительно трудный вопрос, и только через два с половиной века после Ньютона источник светимости звезд и Солнца был, наконец, понят и объяснен, но для этого понадобилось сначала создать ядерную физику вместе со специальной теорией относительности и квантовой механикой.

Однако первая сторона проблемы — формирование небесных тел из однородного вещества — оказалась у Ньютона принципиально раскрытой. Значительна, прежде всего, сама идея эволюции Вселенной, подчиняющейся естественным физическим законам. Это сейчас мы впрямую наблюдаем эволюционные процессы в астрономии па различных уровнях — на поверхности Солнца, в кометах, в звездах и пульсарах, ядрах галактик. Но во времена Ньютона не было никаких фактических указаний на что-либо подобное. Идея и механизм космической эволюции родились из открытого Ньютоном закона всемирного тяготения и оказались определяющими для всего дальнейшего развития космогонии. Тяготение формировало космическую структуру, а ее усложнение и дифференциация дали начало эволюции совсем иного рода, в результате которой материя, существовавшая 12—15 миллиардов лет назад в состоянии однородно распределенной по пространству плазмы, достигла высокой организации и во Вселенной возникла жизнь, а потом и разум, изучающий, среди прочего, и свою космическую предысторию. Механизм формирования небесных тел из однородно распределенного вещества действует у Ньютона благодаря одному лишь тяготению; никакие другие силы, если они вообще имеются, этому не препятствуют. Но в однородном веществе и не должно быть никаких сил, способных действовать против тяготения. Сила давления, например, возникает только при наличии неоднородности, перепадов давления от одного места к другому. И в звезде тяготение действительно уравновешено давлением, ибо звезда неоднородна — в ее центре давление больше, чем у поверхности. Однородная же гравитирующая среда не может находиться в покое — вот исходная мысль Ньютона. Среда не может покоиться, когда в ней действует ничем не уравновешенная сила тяготения. Такое состояние неустойчиво. Первая попытка развить идею Ньютона была предпринята лишь в начале нашего века Дж. Джинсом. В книге «Астрономия и космогония» Джинс приводит знаменитое космогоническое письмо Ньютона и ясно указывает, что ключевой механизм формирования небесных тел — это гравитационная неустойчивость однородной среды. Этот процесс легко проследить, если представить себе, что в каком-то участке однородной среды ее плотность стала несколько выше. Тогда возросло и тяготение в этом участке. Тяготение стремится сблизить частицы среды и тем самым еще больше увеличить там плотность. Но из-за нового повышения плотности тяготение и само станет еще сильнее и т. д. Раз начавшись, такой процесс сам собою продолжается и развивается, ведя к нарастающим отклонениям от исходного состояния. Явление такого рода и называют неустойчивостью. Джинс заметил, что фактором, препятствующим развитию гравитационной неустойчивости, является упругость среды: из-за сжатии в данном участке среды возрастает давление и сила давления, появляющаяся из-за разности давления в сгущении и в окружающей его среде, стремится расширить сгущение. Но силы давления уступают силам тяготения, если размер области уплотнения достаточно велик. Это и естественно, так как сила тяготения тем больше, чем больше масса, а следовательно и размер сгущения. Сила же давления тем меньше, чем больше размер, на котором имеется данный перепад давления. Критический размер, при котором обе силы — тяготения и давления — сравнимы друг с другом, называют джинсовой длиной. Эта длина тем меньше, чем больше плотность среды, и тем больше, чем выше давление в ней. Такая зависимость от давления 0 плотности естественна: давление отражает упругость среды, ее способность противостоять сжатию, а от плотности среды зависит сила тяготения. Упругость среды можно характеризовать также и скоростью звука в ней; джинсова длина прямо пропорциональна скорости звука. Если, скажем, плотность среды 3•10-22г/см3, а скорость звука в ней 6 км/с (это условия во Вселенной в эпоху рекомбинации и мы к ним еще вернемся), то джинсова длина составляет 2•10-20 см. В области такого размера содержится при указанной плотности масса, приблизительно равная миллиону масс Солнца. Вместе с джинсовой длиной в наших рассуждениях часто будет фигурировать и джинсова масса, т. е. масса вещества в области с размером, равным джинсовой длине,— например, в шаре этого радиуса.

В теории Джинса идея гравитационной неустойчивости возродилась и слишком поздно — через два столетия после Ньютона,— и слишком рано — до космологии Фридмана. У Джинса сжимаются ограниченные участки однородной среды; таких участков может быть сколько угодно, судьба каждого из них не зависит от остальных. Но вся бесконечная однородная среда покоится. Совершенно очевидно, что этот покой невозможен — сила тяготения действует на всю среду в целом и эта сила ничем не уравновешена. Кроме того, как возникла сама эта однородная среда? Что с ней было до начала гравитационной неустойчивости? На эти вопросы ответила последовательная теория гравитационной неустойчивости, развитая в 1946 г. Е. М. Лифшицем на основе фридмановской космологии. В этой теории детально изучено поведение слабых уплотнений и вообще любых малых возмущений в однородной расширяющейся среде. Открытие реликтового излучения внесло в теорию Лифшица новые важные черты, и сейчас она служит исходным пунктом всех исследований, гипотез, космогонических схем, развиваемых для объяснения природы крупномасштабной структуры Вселенной. Гравитационная неустойчивости, действующая в однородной расширяющейся среде, проявляется в том, что отдельные области, плотность которых по каким-то причинам оказалась немного больше, чем общая плотность среды, расширяются чуть медленнее, чем среда в целом. Это вызвано, очевидно, тем, что в таких областях тяготение сильнее и потому оно эффективнее тормозит расширение. Хотя плотность областей возмущения, как и среды в целом, убывает со временем, но эти области все больше и больше отстают от общего расширения и потому различие в плотностях возрастает. В картине Ньютона (или Джинса), в которой процесс развивается из состояния покоя, области уплотнения сжимаются; в расширяющейся среде области уплотнения продолжают расширяться.

Но в обоих случаях первоначальное слабое отклонение от общей плотности среды самопроизвольно усиливается. Можно сказать, что в обоих случаях вещество в области уплотнения приобретает собственные движения и собственную скорость; в картине Ньютона область уплотнения сжимается и собственная скорость — это скорость сжатия; в картине расширяющейся среды собственные движения — это отличия действительных движений в области уплотнения от регулярного расширения всей среды, и собственная скорость — это разность скорости общего расширения и действительной скорости расширения данной области. Собственные движения направлены против общего расширения. В расширяющейся Вселенной гравитационная неустойчивость ведет к усилению слабых возмущений плотности и соответствующих собственных движений. Постепенное отставание в расширении, торможение расширения в областях уплотнения рано или поздно приводит к тому, что в какой-то момент расширение этих областей вовсе прекращается и они «отключаются» тем самым от общего космологического расширения. Что же касается собственных движений, то такое «отключение», означает, что в областях уплотнения собственные скорости сравнялись по величине со скоростью регулярного расширения. Все это означает, что слабые в прошлом возмущения превратились в сильные возмущения. При этом в игру вступают новые интересные процессы, о которых мы расскажем ниже. Теория Лифшица позволяет точно установить, какое время требуется данному возмущению, чтобы превратиться из слабого в сильное. Возмущение плотности характеризуют обычно относительной величиной — разностью плотности в области возмущения и в среде в целом, отнесенной к плотности среды. Эта относительная величина возмущения плотности нарастает пропорционально времени в первый миллион лет от начала расширения, а дальше (после эпохи рекомбинации) — пропорционально времени в степени 2/3. Если возраст мира изменился в пределах первого миллиона лет, скажем, в тысячу раз, то во столько же раз изменилась и относительная величина возмущения плотности; позднее такое же изменение времени приведет к возрастанию этой величины в сто раз. Возмущение плотности становится сильным, когда характеризующая его относительная величина приближается к единице, т. е. когда плотность сгущения примерно вдвое превышает плотность среды.

По смыслу сказанного выше, в самом начале этой главы, эпоха сильных возмущений — это время обособления первых сгущений, и отвечающей ей возраст мира составляет 1—3 миллиарда лет. Легко подсчитать, что за время от одной секунды до трех миллиардов лет относительная величина возмущения возрастет не более, чем в 10-17 раз. Такой рост означает, что при возрасте мира в одну секунду в метагалактической среде должны были иметься возмущения, относительная величина которых не меньше, чем 10-17. Теория указывает, таким образом, состояние слабых «затравочных» возмущений в весьма отдаленном прошлом Вселенной; она позволяет судить о том, в какой степени космическая среда была в ту эпоху возмущена. И мы видим, что возмущения плотности при возрасте мира в одну секунду были действительно очень и очень слабыми. Но вместе с тем они были не так уж и малы. Сравним эти возмущения с тепловыми флуктуациями в среде. Тепловые флуктуации имеются всегда, когда температура среды отлична от абсолютного нуля. Они возникают из-за того, что хаотические блуждания частиц при их тепловых движениях (вспомним броуновское движение) могут приводить к тому, что в каких-то областях среды плотность частиц случайно повысится, а в других упадет. Заметим, что в теории Джинса именно тепловым флуктуациям среды отводилась роль исходных «затравок» для гравитационной неустойчивости. По общим соотношениям термодинамики можно найти характерные величины флуктуации плотности, охватывающих данное число частиц. Эти характерные величины не зависят от температуры (требуется лишь, чтобы она не была равной нулю) и выражаются только через число частиц, вовлеченных в флуктуацию.

Относительная величина такого флуктуационного возмущения плотности равна обратной величине корня квадратного из числа частиц. Пусть мы интересуемся флуктуацией, в которую вовлечено такое число частиц, которое содержится в галактике. В нашей Галактике приблизительно 1088 частиц. Относительная величина флуктуационного возмущения плотности составит для этого числа частиц 10-34. Как мы видим, это во много раз меньше возмущений, которые должны были существовать во Вселенной при ее возрасте в одну секунду. Отсюда следует очень важный вывод: исходные возмущения, усиливаемые гравитационной неустойчивостью, должны быть много выше уровня тепловых флуктуации на протяжении фактически всей эволюции мира, которая вообще может изучаться на основании установленных физических законов. В этом смысле можно говорить об этих возмущениях как о некоей дозвездной, догалактической структуре, существовавшей во Вселенной задолго до звезд и галактик. Вопрос о природе этой изначальной структуры принадлежит к числу самых трудных в космологии. Поиски подходов к его решению ведутся сейчас на основе новейших идей, объединяющих представления общей теории относительности и квантовой теории. Скорее всего, происхождение первоначальных возмущений обязано тем же процессам, которые вызвали и само космологическое расширение; об этом, однако, мы еще слишком мало знаем. Но замечательно уже и то, что мы вообще можем делать определенные заключения о характере догалактической структуры в столь ранние времена, как первые секунды от начала космологического расширения. Дальнейшая же эволюция структуры вплоть до стадии сильных возмущений может быть изучена с нужной полнотой.



Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта 25.11.2006



Главная страница раздела

Copyright © 2004 - 2016, Проект 'Астрогалактика' • выпущен 12.07.2004
Top.Mail.Ru