Общая астрономия. Энтропийные возмущения

И все же «условия выживания» возмущений во Вселенной не так суровы, как это может показаться. Дело в том, что совместные возмущения плазмы и излучения (адиабатические возмущения, о которых мы до сих пор говорили) — это только один из двух типов слабых возмущений плотности в ранней Вселенной. Возмущения другого типа затрагивают только частицы: это сгущения и разрежения плазмы на фоне полностью однородного излучения. Также возмущения, называемые энтропийными, изучали еще в 50-е годы Л. Э. Гуревич и А. И. Лебединский в условиях массивных звезд с большим лучистым давлением. В 1968 г. Я. Б. Зельдович обратил внимание на их важную роль в космологии горячей Вселенной. Неоднородности плазмы как бы вморожены в «невозмущенный» фон излучения, они не рассасываются и не усиливаются в течение всего первого миллиона лет, пока вещество остается ионизованным и тесно связанным с излучением их электромагнитным взаимодействием. Так как концентрация фотонов не испытывает возмущения и одинакова внутри сгущений и вне их, никакого потока фотонов от сгущения наружу, естественно, нет, и потому лучистая теплопроводность здесь не действует.

Только в самых малых по размеру возмущениях происходит постепенное расплывание сгущений плазмы; но таким путем могут исчезнуть сгущения лишь с массой около одной массы Солнца, а все сгущения большего масштаба остаются к эпохе рекомбинации совершенно неизменными. Точнее, нужно сказать, что неизменным остается относительное возмущение плотности, т. е. не меняется отношение избытка плотности в сгущении к «невозмущенной» плотности плазмы. Само же сгущение как целое участвует в космологическом расширении и его размер возрастает точно так же, как и все размеры в расширяющемся мире. Рекомбинация прекращает взаимодействие вещества и излучения и освобождает возмущения вещества из плена излучения. В результате от прежних энтропийных возмущений остаются сгущения нейтральных атомов, которые могут теперь беспрепятственно усиливаться гравитационной неустойчивостью. Для этого нужно только, чтобы размер возмущения превышал джинсову длину. Как мы видели, в эпоху рекомбинации джинсова длина резко падает, и в области сравнимого с ней размера содержится около миллиона солнечных масс. Гравитационная неустойчивость действует на эти возмущения обычным образом — она стремится замедлить их расширение. Она сообщает возмущениям собственные скорости, которые направлены против скорости космологического расширения. Эти собственные скорости растут со временем, и соответственно сгущения все больше и больше отстают от общего расширения среды. Собственные движения, наложенные, так сказать, на регулярное общее расширение, можно характеризовать относительной величиной — отношением собственной скорости в данном возмущении к регулярной скорости расширения в том же масштабе.

До рекомбинации относительное возмущение плотности не менялось, а собственная скорость в таком сгущении отсутствовала. После рекомбинации начинается рост возмущения плотности и возникает собственная скорость. Обе относительные величины изменяются по одному закону (пропорционально времени в степени 2/3) после первоначального быстрого «подтягивания» скорости под возмущение плотности. В 1968 г. Дж. Пиблс и Р. Дикке выдвинули предположение о том, что вся наблюдаемая структура Вселенной возникла из первоначальных энтропийных возмущений. Исходя из этого, они разработали довольно детальную картину, представляющую последовательность событий, развивающихся от эпохи рекомбинации до современной эпохи. При этом считалось, что в исходных сгущениях плазмы, «вмороженных» в фон излучения, относительное возмущение плотности было (в среднем) тем больше, чем меньше масса сгущения. Зависимость величины возмущений от их массы или масштаба называют спектром возмущений; если возмущения в больших масштабах слабее, чем в меньших, то говорят, что возмущения имеют падающий спектр. Падающий спектр возмущений в картине Пиблса и Дикке означает, что первые сгущения, способные выделиться и обособиться, «отключиться» от общего космологического расширения, должны иметь массы, сравнимые с миллионом солнечных масс. Это минимальные по заключенной в них массе сгущения, способные усиливаться гравитационной неустойчивостью после рекомбинации, исходная же величина возмущения плотности в них больше, чем во всех более крупных по массе сгущениях. Гравитационная неустойчивость превращает эти сгущения в довольно плотные облака, имеющие более или менее правильную сферическую форму. Дальнейшая эволюция каждого облака сопровождается постепенным охлаждением (преимущественно благодаря возбуждению и высвечиванию уровней энергии молекул водорода, которые, хотя и в небольшом числе, возникают в нейтральном атомарном водороде после рекомбинации). Из-за охлаждения становится возможной фрагментация газового облака на мелкие сгущения — протозвезды.

В, конце концов, облако превращается в скопление звезд, которое по массе, по форме и размерам подобно современным шаровым звездным скоплениям. Как полагают Пиблс и Дикке, именно так и возникли шаровые скопления нашей Галактики и других галактик. Гравитационная неустойчивость, благодаря которой формируются шаровые скопления, действует и в больших масштабах; она развивается в «газе», частицами которого являются сами эти звездные скопления. Из-за этого происходит скручивание шаровых скоплений в галактики, а галактики собираются затем в скопления. Наблюдательные данные о звездном составе шаровых скоплений указывают на то, что они представляют собой наиболее старые образования во Вселенной. Это обстоятельство и послужило исходным пунктом гипотезы Пиблса и Дикке. Хотя галактики различны по массам, размерам и форме, составляющие их звезды в основном различаются между собой гораздо слабее. Звездное население сферической составляющей нашей Галактики похоже на звезды эллиптических галактик, а население диска Галактики — на звезды неправильных галактик. Сходство между галактиками проявляется также и в том, что во многих из них действительно обнаруживаются шаровые звездные скопления. Шаровые скопления в нашей Галактике населяют сферическую подсистему; их около полутора сотен и все они похожи друг на друга. Шаровые скопления в некоторых близких галактиках весьма сходны с шаровыми скоплениями нашей Галактики. В картине Пиблса и Дикке универсальность шаровых скоплений и их большой возраст находят прямое объяснение. Однако ряд других важных свойств звездных систем объяснить на этом пути не удается. В первую очередь это относится к таким свойствам галактик, как их типичная масса и плотность. Кроме того, в последнее время появились возражения и против исходного пункта всей картины: по мнению астрономов, изучающих шаровые скопления, последние все же различаются по своим свойствам; так, содержание тяжелых элементов в их звездах зависит от положения скопления в Галактике, а в других галактиках химический состав звезд в шаровых скоплениях коррелирует со светимостью и массой галактики. Трудно ожидать, наконец, что чуть ли не все шаровые скопления могли собраться в галактики, скорее многие из них должны были бы остаться в межгалактическом пространстве, чего на самом деле не наблюдается.

Картина Пиблса и Дикке представляет собой пример одной из современных космогонических гипотез. Построенная на основании астрономических данных и физической теорий, такая эволюционная схема способна дать представление о возможной последовательности событий, приведших к наблюдаемой космической структуре. Это не единственная гипотеза, а лишь одна из целого их ряда; каждая из таких гипотез выбирает в качестве исходного, ключевого тот или иной астрономический факт или физический процесс, но такой выбор остается неоднозначным. Это относится и к картине сильных гидродинамических движений, которую мы далее подробно рассмотрим (и, скажем сразу, которой мы отдаем предпочтение). В 1919 г. Джинс писал: «При современном состоянии наших знаний любая попытка диктовать окончательные заключения по основным проблемам космогонии была бы ничем иным, как чистым догматизмом». Астрономические знания с тех пор невероятно возросли, огромные изменения произошли и в теоретической физике, но они не отменили это соображение. Возвращаясь к энтропийным возмущениям, заметим, что падающий спектр, который приписывали им Пиблс и Дикке, совсем не обязателен. Вполне допустимо и иное предположение, по которому наибольшая величина возмущений плотности приходилась не на самые малые по масштабу сгущения, а, напротив, на сгущения, соответствующие по массе самым крупным астрономическим системам — скоплениям и сверхскоплениям галактик. Тогда именно эти сгущения и выделятся первыми в виде гигантских облаков, распадающихся впоследствии па мелкие фрагменты.

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

Главная страница раздела