Формирование скоплений галактик

Общая астрономия. Формирование скоплений галактик

Какова бы ни была природа слабых первичных возмущений в ранней Вселенной, они рано или поздно превращаются в сильные возмущения под действием гравитационной неустойчивости. Независимо от своей предыстории, сильные возмущения — это сгущения вещества, в которых космологическое расширение полностью или почти полностью преодолено их собственным тяготением. Выше, на примере космогонической гипотезы Пиблса и Дикке, мы описали возможный ход эволюции сильных возмущений, имеющих размер, близкий к джинсовой длине в эпоху после рекомбинации. Соответствующие сгущения были как бы на грани баланса сил давления и тяготения: при размере, равном джинсовой длине, обе эти силы точно сбалансированы, при небольшом превышении размера сгущения над джинсовой длиной гравитация преобладает, но давление все же еще существенно. Именно из-за этого сгущение принимает более или менее сферическую форму, к которой всегда стремится гравитирующий сгусток вещества, если, как, например, в звезде, силы тяготения и давления уравновешивают друг друга. Совсем иначе протекает эволюция сильного сгущения, размер которого значительно превышает джинсову длину. Мы рассмотрим сейчас, следуя Я. Б. Зельдовичу, физические процессы в сгущении с массой, сравнимой с массами самых крупных скоплений галактик. Размер такого сгущения в послерекомбинационную эпоху действительно много больше джинсовой длины. В первую очередь форма сгущения облака большого размера никак не стремится к сферической: сила давления в нем слишком слаба по сравнению с силой тяготения, чтобы было возможно хотя бы какое-то приближение к равновесию и равновесной сферической форме. Наоборот, если облако, обособившееся от общего космологического расширения, и имело сначала сферическую форму, оно быстро ее теряет. Представим себе, что в какой-то момент расширение данного участка среды остановилось. После этого должно начаться его сжатие — ведь покой невозможен, раз сила собственного тяготения ничем не сбалансирована. Беспрепятственное сжатие под действием собственного тяготения — это, по существу, свободное падение частиц облака в их общем поле тяжести. Но свободное сжатие не может происходить одинаково, в одном темпе по всем направлениям. Любое сколь угодно малое отклонение от равномерности сжатия, а такие отклонения неизбежны, будет усиливаться при сжатии. В самом деле, если скорость сжатия в каком-либо направлении случайно немного больше, чем в двух других, то в этом направлении облако быстрее уменьшается в размере, и потому сжимающая его сила тяготения оказывается в данном направлении больше. Это в свою очередь приводит к еще большему ускорению сжатия в выделенном направлении и, значит, к еще большему уплощению облака. Поэтому в результате процесса сжатия первоначально более или менее сферическое облако должно неизбежно превратиться в сильно уплощенное образование. По мере сжатия давление газа, которое сначала не играло никакой роли, постепенно возрастает и в конце концов оно должно было бы остановить сжатие. Однако еще до этого возникает новое явление, радикально влияющее на дальнейшую судьбу облака.

Дело в том, что когда скорость падения газа в облаке становится сравнимой со скоростью теплового движения его частиц или, что то же самое, со скоростью звука в среде, а потом и превосходит ее, плавное сжатие газа сменяется образованием так называемой ударной волны. При этом возникает скачок давления, температуры и плотности в сжимающемся газе. Космическая ударная волна очень сильно отличается по своим масштабам от ударных волн, известных нам на Земле; но по своему физическому существу это явление того же рода, что и ударные волны, возникающие, например, при взрыве, или ударные волны, сопровождающие полет сверхзвукового самолета. Во всех случаях ударные волны возникают при сверхзвуковом движении газа, т. е. при движении со скоростью, превышающей скорости теплового движения частиц среды. Ввиду важной роли ударных волн в космогонии галактик и скоплений расскажем о них подробнее. Это явление принадлежит к числу нелинейных гидродинамических процессов, т. е. процессов, в которых возмущения гидродинамических величин уже нельзя считать слабыми. Рассмотрим пример обычной звуковой волны. Это волна возмущений плотности, давления и скорости, в которой места максимальной плотности чередуются с местами, где эти величины минимальны; они распределены периодически и перемещаются в среде со скоростью звука. Расстояние между двумя соседними максимумами плотности называется длиной волны. Это слабое возмущение, в котором относительная величина амплитуды плотности (т. е. наибольшее значение плотности, отнесенное к средней плотности среды) мало по сравнению с единицей. И все же в звуковой волне достаточно большой амплитуды давление и температура в максимумах плотности заметно больше средних величин; вместе с ними в этих максимумах больше и скорость звука. По этой причине гребни волн распространяются по среде несколько острее, чем волна в целом. Точно так же в минимумах плотности скорость звука меньше средней, и впадины движутся поэтому несколько медленнее, чем вся волна. В результате гребни будут, так сказать, догонять впадины. По мере приближения гребня к впадине область падения плотности будет становиться все уже, или, как говорят, фронт волны будет становиться все круче. Наконец, в некоторый момент гребень мог бы догнать и даже перегнать впадину — при этом происходило бы то, что можно назвать опрокидыванием фронта.

Однако в действительности опрокидывание не происходит: когда расстояние от гребня до впадины, т. е. толщина фронта волны, становится сравнимой с длиной свободного пробега частиц, возникает ударная волна, в которой уже весь фронт, т. е. узкий слой, в котором происходит резкое изменение гидродинамических величин, распространяется со скоростью, большей скорости звука в среде. Ударные волны могут возникать не только описанным нами плавным образом, но и, например, при ударе со сверхзвуковой скоростью поршня о газ в цилиндре или при сверхзвуковых столкновениях газовых масс. Она возникает несколько иначе, чем в рассмотренном выше примере звуковой волны. В начале сжатия облако было более или менее однородным по плотности; но по мере сжатия и уплощения его средние слои становятся плотнее, чем наружные слои/и облако оказывается все более неоднородным. Внутренние слои разогреваются при уплотнении и потому в них возрастает давление, обусловленное тепловым движением частиц. Перепад давления от самых внутренних слоев к наружным начинает постепенно тормозить сжатие внутренних слоев. Поэтому их свободное падение под действием одной только силы тяжести сменяется более медленным сжатием. Наружные же слои продолжают еще свободное падение и потому постепенно все сильнее «прижимаются» к внутренним слоям. Изменение скорости, а с ней и плотности от слоя к слою происходит при таком сближении слоев на все меньших и меньших расстояниях. При этом разность скоростей двух сближающихся слоев превосходит скорость звука в среде. Рано или поздно все это приводит к явлению, очень похожему на то, о котором мы говорили на примере звуковой волны: по обе стороны среднего слоя возникают резкие скачки скорости и плотности, т. е. образуются две ударные волны, отделяющие сжатый газ внутренних слоев от внешнего «свежего» газа. С течением времени все большая часть газа сгущения втекает через фронты ударных волн в область менаду фронтами, испытывая сжатие и торможение. На фронтах ударных волн происходит превращение в тепло части кинетической энергии набегающего снаружи газа.

Поэтому сжатый газ нагревается, его температура повышается. Распределение концентрации частиц и температуры в слое-протоскоплении в момент, когда между фронтами ударных волн находится половина массы облака - протоскопления. Структура плотного и горячего слоя — протоскопления — детально изучена Я. Б. Зельдовичем и его сотрудниками. В их работах такие слои газа получили название «блинов». Температура здесь достигает десятков миллионов градусов; плотность же газа невелика, концентрация частиц составляет 10-3 см-3. Внутренний более холодный слой содержит газ с температурой около десяти тысяч градусов и концентрацией в тысячу раз большей, чем в горячем газе. Имеется и сравнительно тонкий слой, где плотность еще в десятки раз больше, а температура соответственно ниже. Слой устроен так, что давление в нем всюду (почти) одинаково, так что произведение температуры на концентрацию (почти) не меняется от центральной плоскости до фронтов ударных волн. Предполагается, что плотные внутренние области слоя — протоскопления претерпевают фрагментацию и дают начало галактикам, тогда как горячая фракция газа может сохраниться до настоящего времени. Собственное тяготение вещества превращает формирующееся таким путем скопление галактик в гравитационно связанную и стационарную систему. Предполагается также, что при этом скопление становится постепенно все более сферическим по форме и приобретает вид правильного скопления, подобного скоплению Кома (Волосы Вероники). В правильных скоплениях имеется более или менее выраженная концентрация галактик к центру. Преобладающий тип их населения — эллиптические галактики. Скопление Кома и некоторые другие крупные скопления галактик обнаруживают рентгеновское излучение. Установлено, что рентгеновские лучи испускаются не галактиками, а межгалактическим газом в скоплениях, причем температура газа достигает десятков миллионов градусов.

Описанная картина формирования скопления дает естественное объяснение происхождению горячего межгалактического газа. Один из центральных моментов этой картины — распад плотных холодных областей и образование из них галактик — находится пока в стадии теоретической разработки, и до сих пор не вполне ясно, распадаются ли эти области на протогалактики или, может быть, возникают сначала отдельные звезды или группы звезд, а они уже потом объединяются в галактики. Сложная гидродинамика формирующихся скоплений активно изучается многими астрофизиками, теория «блинов» служит для этого хорошей основой.

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