Первичные вихри

В 1952 г. Г. А. Гамов, создатель теории горячей Вселенной и, несомненно, наиболее авторитетный космолог того времени, решительно и с энтузиазмом стал на точку зрения вихревой космогонии; он говорил тогда, что в распределении и движении галактик определенно заметны следы догалактической турбулентности, что физика «сверхзвуковой турбулентности» необычайно интересна и глубока, что на этом пути; он видит самые заманчивые перспективы. Что же касается происхождения догалактических вихрей, то Г. А. Гамов высказал предположение, что вихри существуют во Вселенной изначально и имеют ту же природу, что и само космологическое расширение. Так как природа расширения остается, в сущности, неизвестной, то вопрос о происхождении протогалактических вихрей был отнесен тем самым к категории трудных проблем космологии, окончательное решение которых можно ожидать еще очень и очень нескоро. Но если принять, что вихри сопровождают космологическое расширение «с самого начала», то тогда нужно выяснить, какими они должны были быть в более ранние эпохи расширения, до образования галактик. И здесь немедленно обнаружилось острое противоречие. Дело в том, что скорости вихрей должны падать по мере космологического расширения, и потому существование вихрей со скоростями в несколько десятков километров в секунду при возрасте мира в несколько миллиардов лет требует гораздо более быстрых вращений среды в начале расширения. Это видно опять из закона сохранения момента количества движения, примененного к отдельному вихрю. Момент количества движения, или вращательный момент, можно по порядку величины оценить произведением массы, охваченной движением, на скорость этого движения и его пространственный масштаб. «Вмороженность» вихря в среду (об этом свойство вихрей мы упоминали) означает, что суммарная масса частиц, которые он охватывает, не меняется со временем. Величины же скорости и размера должны поэтому изменяться так, чтобы их произведение оставалось неизменным — тогда не будет изменяться и момент количества движения. Отсюда следует, что вихревая скорость падает при расширении обратно пропорционально размеру данного вихря.

Размер вихря возрастает в ходе космологического расширения в соответствии с общим законом изменения всех длин и расстояний. По зависимости скорости от размера вихря легко установить и ее зависимость от плотности в расширяющейся среде: скорость убывает при расширении как корень кубический из плотности. Отсюда появляется возможность находить значение вихревой скорости в отдаленные моменты в прошлом Вселенной, пользуясь теми сведениями о протогалактических вихрях, которыми мы располагаем. Скорости вихрей в эпоху обособления протогалактик при плотности ~10²⁷ г/см3 составляют, как мы видели, приблизительно 3*10⁶ см/с. Но отсюда следует, что в более раннюю эпоху, при плотности мира в 10¹² раз большей, вихревая скорость должна быть равна скорости света 3•10¹⁰ см/с. При этом плотность среды остается еще очень малой —10^-15 г/см³, и от начала расширения, от космологической сингулярности (на которую все можно было бы «списать») довольно далеко — добрых триста лет. При еще больших плотностях вихревые скорости оказались бы и вовсе сверхсветовыми, что, конечно, абсурдно. Этот парадокс ставил, казалось, под сомнение и всю вихревую космогонию Вейцзеккера—Гамова. Однако противоречие исчезло после открытия в 1965 г. реликтового излучения. Это открытие изменило представление о свойствах метагалактической среды в ранние эпохи. Излучение, газ фотонов был главной компонентой метагалактической среды в течение первого миллиона лет от начала расширения, а «обычное» вещество уступало тогда фотонам по плотности. Гидродинамика фотонного газа (с примесью плазмы) отличается от гидродинамики «обычной» среды, которая имелась в виду при изложенных выше рассуждениях. В фотонном газе вихри ведут себя иначе, хотя закон сохранения момента количества движения остается, конечно, в силе.

Дело в том, что масса данной совокупности фотонов, в которые — через связанную с ними плазму — «вморожен» вихрь, не остается постоянной, а убывает при расширении обратно пропорционально размеру занятой ею области. Но тогда из сохранения момента количества движения следует, что вихревая скорость остается неизменной во всю эпоху преобладания излучения. Значение скорости в раннюю эпоху легко оценить, если учесть, что, начиная с момента, когда плотности обеих компонент космической среды сравниваются (а это происходит, когда они составляют приблизительно 3•10-22 г/см3, и во всю дальнейшую эпоху), справедлива «обычная» связь между плотностью и вихревой скоростью, т. е., что в эту позднюю эпоху скорость убывает как корень кубический из плотности вещества. Тогда в момент равенства плотностей вещества и излучения скорость вихрей равна 3•108 см/с, что в сто раз меньше скорости света. Таким образом, парадокс сверхсветовых вихрей в горячей Вселенной устраняется. Но вместе с тем в теории изначальных вихрей обнаружились совсем иные препятствия, одно из которых связано с реликтовым излучением. Скорость вихрей, которую мы только что вычислили, сама по себе не слишком велика, но все же вихри с такой скоростью создавали бы определенные искажения, флуктуации в реликтовом фоне: фотоны, «закрученные» в раннюю эпоху вихревым движением среды, способны сохранить следы этого движения и до сих пор. Поток энергии реликтового излучения, принимаемый радиотелескопами, должен из-за этого меняться от места к месту по той же причине, о которой мы ранее, в главе второй, говорили в связи с адиабатическими и энтропийными возмущениями. Ожидаемый уровень флуктуации для скорости вихрей 3•108 см/с, согласно расчетам, таков, что на радиотелескопе РАТАН-600 их бы уже заметили. Но, однако, никаких флуктуаций такого рода радиоастрономы не находят. Изотропная и однородная Вселенная, описываемая моделью Фридмана, принципиально не допускает изначальных вихрей: либо изотропная Вселенная без вихрей, либо вихри, но без изотропии мира. К этому выводу приводит экстраполяция в прошлое вихревого состояния расширяющейся среды.

Мы уже видели, что при такой экстраполяции, если учитывать роль излучения в ранней Вселенной, можно избежать парадокса сверхсветовых движений. Имеется и еще одно обстоятельство, с которым неизбежно сталкиваются при попытке «протянуть» завихренность далеко в прошлое. Дело в том, что, глядя назад по времени, мы увидели бы протогалактический вихрь все более и более компактным, так как его размер убывает назад по времени пропорционально всем размерам во Вселенной. Но еще быстрее убывает в прошлое расстояние до горизонта событий. Поэтому существует такой момент в прошлом, когда вихрь едва умещается в пределах горизонта; в еще более ранние моменты он должен был бы выходить за пределы горизонта. Но такой вихрь неизбежно создает искажения в самой структуре пространства — времени, в геометрии изотропного мира. Чем больше за горизонт выходит вихрь, тем эти искажения значительнее; в пределе, при стремлении к все большим значениям (математически говоря, к бесконечности), отношения размера вихря к расстоянию до горизонта отклонения от изотропии возрастают неограниченно. Это и означает, что мир с изначальными вихрями не может быть изотропным. В принципе общая теория относительности допускает и не изотропные (анизотропные) космологические модели, в которых уже нет максимальной пространственной симметрии, лежащей в основе космологии Фридмана. В таких моделях отсутствует равноправие различных направлений в пространстве, так что, например, темп космологического расширения, т. е. скорости взаимного разбегания частиц, различаются в разных направлениях. Вблизи сингулярности в таких моделях расширение идет даже не по всем трем направлениям, а по одному из них происходит сжатие, сближение частиц. Глубокое изучение анизотропных космологических моделей начато в нашей стране А. Л. Зельмановым еще в 50-е годы. Им были выяснены условия, при которых исходная анизотропия мира сглаживается со временем и Вселенная обретает наблюдаемую в ней сейчас изотропию.

Позднее, в 70-е годы, Е. М. Лифшиц, И. М. Халатников и их сотрудники выяснили, что вблизи сингулярности возможно и совсем неожиданное поведение мира: на его общее расширение накладываются еще и колебания. Колебания охватывают попеременно движения по всем трем направлениям. Периоды колебаний уменьшаются по мере приближения к началу расширения, а полное число колебаний возрастает при этом неограниченно. Анализ эволюции вихревых движений в анизотропных космологических моделях показывает, что вихри легко вписываются, так сказать, в общую динамику анизотропно расширяющейся Вселенной и действительно могут существовать в ней изначально. Нужно, однако, сказать, что никаких независимых указаний на анизотропное начало расширения до сих пор не известно. Скорее все указывает на то, что Вселенная и в более ранние эпохи была как целое столь же изотропна, сколь изотропна она сейчас. Никакой заметной анизотропии не должно было быть, во всяком случае, при возрасте мира около миллиона лет, в эпоху рекомбинации; об изотропии мира в ту эпоху мы можем уверенно судить по изотропии реликтового излучения, «оторвавшегося» тогда от вещества и свободно распространявшегося до современной нам эпохи. Более того, имеются веские теоретические соображения в пользу изначальной изотропии мира. Развитие представлений о квантовых процессах вблизи сингулярности ведет к заключению, что если сильные отклонения от изотропии и существовали «сразу» после начала расширения, то эффекты рождения частиц уничтожали эти отклонения. Вместе с ними должны «погибнуть» первичные вихри, и все это успевает завершиться очень быстро, уже к эпохе, когда возраст мира не превышает 10^-41 секунды.

Наконец, стоит упомянуть и еще об одной трудности картины первичных вихрей. Она связана с поведением вихревых движений в эпоху рекомбинации. Превращение вещества из ионизованного в нейтральное освобождает частицы от связи с фотонами излучения и из-за этого довольно резко падает скорость звука в среде: от значения, близкого к скорости света, она уменьшается до нескольких километров в секунду. Скорости же первичных вихрей должны быть в эту эпоху до крайней мере в сто раз больше последней величины. Поэтому вихревые движения из дозвуковых, какими они были «с самого начала», становятся в ходе рекомбинации сверхзвуковыми. Но сверхзвуковые движения должны порождать ударные волны, способные сжимать газ. Однако плотность среды в эпоху рекомбинации (~3•10^-22 г/см³) и так уже приблизительно в тысячу раз превышает плотность галактик; поэтому сверхзвуковые вихри масштаба галактик порождали бы слишком плотные тела, никак не похожие на реальные звездные системы. По совокупности всех этих причин идею первичных вихрей приходится, по-видимому, оставить: скорее всего, никаких вихревых движений, рожденных в общем процессе с космологическим расширением, во Вселенной не было.

Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта 06.12.2006