Общая астрономия. Догалактическая структура

Как и в первоначальной теории Джинса, в современной теории гравитационной неустойчивости фигурирует критическая джинсова длина. Она полностью сохраняет свое значение, и даже ее выражение через скорость звука и плотность среды имеет прежний вид (см. выше). Это и понятно, ведь джинсова длина появляется в рассуждениях об относительной роли давления и тяготения в среде, и эти рассуждения столь просты и естественны, что сами по себе и не требуют, собственно, знания общей картины гравитационной неустойчивости. Очень важным является то обстоятельство, что в расширяющейся среде соотношение между размером области возмущения и джинсовой длиной меняется с течением времени. Мы увидим ниже, что в эпоху до рекомбинации космической плазмы джинсова длина возрастала пропорционально времени, отсчитываемому от начала расширения. Размеры же возмущений росли лишь как корень квадратный из времени, в соответствии с общим законом изменения всех расстояний в расширяющемся мире. (Размеры сгущений, усиливаемых гравитационной неустойчивостью, возрастали и еще медленнее, так как их расширение немного отставало от общего космологического расширения.) Если в какие-то ранние времена размер возмущения превосходил джинсову длину, то позднее он мог оказаться и меньше ее. Тогда гравитационная неустойчивость в этой области прекращалась и, как показывает теория, возмущения масштабов, меньших джинсовой длины, превращались в пульсирующие сгущения и разрежения, подобные звуковым волнам в среде. Амплитуда таких волн не менялась в ходе расширения (до эпохи рекомбинации), а их длины волн возрастали вместе с общим расширением мира. Космическая среда в первый миллион лет расширения представляла собой смесь плазмы и излучения, взаимодействующих между собой благодаря связывающим их электромагнитным силам. Фотоны преобладали и по числу, и по плотности. Фотонов во Вселенной приблизительно в миллиард раз больше, чем электронов и протонов. Что же касается плотности, то фотоны не имеют массы покоя и потому их «плотность покоя» равна нулю; однако они обладают энергией, а с энергией всегда связана определенная масса. По формуле Эйнштейна E=Mc² всякой массе М отвечает энергия Е и наоборот, всякой энергии Е отвечает масса М; масса и энергия пропорциональны друг другу и коэффициентом пропорциональности служит квадрат скорости света.

В этой смеси космической плазмы и излучения доминировало излучение, и именно от него зависела упругость среды, давление в ней. Соответственно этому и скорость звука в такой среде определялась излучением, фотонами. В обычном газе скорость звука почти точно совпадает со средней скоростью тепловых движений молекул. В газе фотонов тепловая скорость — это скорость света, с которой движутся все фотоны. По этой причине и скорость звука в газе фотонов (с незначительной примесью плазмы) близка к скорости света: u =c/ sqr3 Зная скорость звука, можно оценить и джинсову длину по общему соотношению, которое было приведено выше: джинсова длина есть u/ sqrGp. Здесь под р нужно понимать полную плотность космической среды — сумму плотностей вещества и излучения. Но мы знаем, что существует простая связь между плотностью мира р в данный момент и временем t, протекшим до этого момента от начала космологического расширения: t= 1/ sqrGp. Сравнение двух соотношений показывает, что в ранней Вселенной джинсова длина возрастала пропорционально возрасту мира. С точностью до не очень существенного численного множителя эта длина представляет собой просто произведение скорости света на время, протекшее до данного момента от начала космологического расширения: ct. Мы видим, что (с той же точностью) джинсова длина в ранней Вселенной совпадает с расстоянием до горизонта мира: ведь расстояние до горизонта — это путь, проходимый светом за время от начала расширения. В первый миллион лет растущие возмущения в горячей Вселенной выходят своими размерами за горизонт. В сгущении такого размера невозможна причинная связь его краев: один край «не знает», что происходит с другим. Но гравитационная неустойчивость в одинаковом темпе действует во всем объеме сгущения и потому усиливает каждое такое возмущение как целое.

По существу, ситуация здесь тa же что и со Вселенной в целом: размер Вселенной больше расстояния до горизонта, причинная связь с «загоризонтными» ее областями отсутствует, и тем не менее Вселенная как целое расширяется регулярно, во всех своих областях. Для исследования гравитационной неустойчивости ранней Вселенной важно знать, как изменяется от одного момента времени к другому джинсова масса, т. е. масса вещества, заключенная в области с размером, равным джинсовой длине. При возрасте мира в одну секунду эта масса относительно мала — меньше массы Солнца. Но она быстро возрастает в ходе расширения и при возрасте мира в один миллион лет составляет огромную величину — 10*¹⁸ масс Солнца, что в тысячу раз больше масс самых крупных скоплений галактик. Под джинсовой массой мы понимаем здесь именно массу вещества, массу частиц плазмы, заключенных в области с размером, равным джинсовой длине; сюда не включается излучение — оно все равно потом «улетучится» и галактика или скопление галактик образуются только из частиц плазмы. Возмущение, включающее в себя столько частиц плазмы, сколько их содержится в крупном скоплении галактик с массой в 10*¹⁵ солнечных масс, почти все время имеет размер, превышающий джинсову длину. При возрасте мира в один миллион лет произошла рекомбинация плазмы, повлекшая за собой резкое изменение физических условий в метагалактической среде. До этого вещество находилось в состоянии плазмы и электроны были оторваны от ионов (главным образом, протонов) тепловыми движениями; однако общее охлаждение среды при космологическом расширении постепенно ослабляло тепловые движения. Наконец, температура упала до значения в 3 тысячи градусов, при котором электроны и ионы объединились и образовали нейтральные атомы. Очень важно, что рекомбинация прекращает взаимодействие излучения и вещества, которое теперь становится нейтральным. После рекомбинации излучение и вещество ведут себя уже независимо друг от друга. Уплотнения в веществе продолжают усиливаться гравитационной неустойчивостью, но соответствующая новым условиям джинсова длинна и отвечающая ей джинсова масса резко падают. Это связано с тем, что теперь уже не фотоны, а собственная упругость газа определяет скорость звука в нем. При температуре в 3 тысячи градусов она составляет приблизительно 6 километров в секунду. Плотность мира в эпоху рекомбинации оценивается величиной 3•10*²² г/см³. Мы уже делали оценку джинсовой массы для таких значений скорости звука и плотности среды и нашли ее равной миллиону солнечных масс. В послерекомбинационную эпоху возмущения в масштабах, превышающих по массе миллион масс Солнца, развиваются гравитационной неустойчивостью в одинаковом темпе. В тот промежуток времени, когда гравитационная неустойчивость в данном масштабе не действует, сгущение испытывает, как мы уже говорили, колебания плотности, амплитуда которых остается постоянной. Крупномасштабные возмущения обладают преимуществом — они практически не подвержены действию диссипативных процессов. Диссипативные процессы — это вязкость и теплопроводность среды, стремящиеся сглаживать любые возмущения в среде и переводить в тепло связанную с ними энергию собственных движений.

Эти процессы не действуют на общее космологическое расширение, так как оно оставляет среду однородной и не вызывает в ней скольжения одних слоев по другим. Но возмущения плотности могут испытывать их действие. Действие теплопроводности очень существенно в ранние эпохи космологического расширения. В дорекомбинационную эпоху, когда вещество и излучение тесно связаны между собой, они ведут себя как единая среда. В возмущениях плотности, усиливаемых гравитационной неустойчивостью, участвуют вместе и частицы плазмы и фотоны излучения. Такие совместные возмущения плазмы и излучения принято называть адиабатическими возмущениями. В адиабатических сгущениях плотность и температура выше, чем в окружающей среде. Но перепад температуры вызывает, как всегда, поток тепла из более нагретой области в более холодную. Перенос тепла, т. е. теплопроводность в среде, представляющей собой смесь плазмы и излучения, осуществляют лучше всего фотоны: они просачиваются из области сгущения наружу, унося тем самым из сгущения его избыточное тепло. То же происходит и с частицами плазмы, но фотонная, или, как говорят, лучистая, теплопроводность эффективнее: во-первых, фотоны преобладают над частицами плазмы и по числу и по плотности; во-вторых, фотонам легче покинуть область сгущения, чем электронам или ионам. Уходящие из области сгущения фотоны увлекают за собой также и электроны и ионы, и потому происходит общее рассасывание сгущения. Как показали Дж. Силк и Г. В. Чибисов, такая лучистая теплопроводность сглаживает перепады температуры, а вместе с тем и гасит сами адиабатические возмущения плотности в космической смеси вещества и излучения. Ее действие тем эффективнее, чем меньше масштаб возмущения. Последнее связано просто с тем, что избыточные, «лишние» фотоны быстрее покидают сгущение малого размера, чем сгущение большого размера. В результате к эпохе рекомбинации, когда действие лучистой теплопроводности прекращается, уничтоженными оказываются все адиабатические возмущения, содержащие массы, меньшие, чем 10*¹⁵ масс Солнца. Это очень важный результат. Он означает, что после первого миллиона лет космологического расширения во Вселенной выживают лишь такие адиабатические возмущения, которые отвечают по массе самым крупным образованиям — скоплениям и сверхскоплениям галактик. В разрабатываемой Я. Б. Зельдовичем и его сотрудниками космогонической теории, основанной на предположении о существовании первичных адиабатических возмущений, этот факт имеет ключевое значение: развитие гравитационной неустойчивости приводит в послерекомбинационную эпоху к обособлению сгущений с массами 10*¹⁵ солнечных масс и более.

Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта 02.12.2006

Главная страница раздела