§ 2. Типы возмущений однородного вещества

Рассмотренный в предыдущем параграфе тип отклонений от однородности получил название адиабатических или акустических. Название "адиабатические" связано с тем, что возмущение плотности вещества происходит без перераспределения энергии между частицами вещества, т. е. адиабатически.

Рис. 11. Движение среды в разных типах возмущений: а) и б) - типы движений, приводящие к возникновению возмущений плотности; в) и; г) - типы вихревых движений без изменения плотности. Во всех случаях изображена только возмущающая скорость и не показана общая скорость расширения Вселенной

Существуют другие типы возмущений в однородном веществе.

Так, могут существовать вихревые движения вещества, в которых скорость в один и тот же момент разная в разных точках, но меняется таким образом, что не приводит к изменению плотности вещества. Примеры таких движений показаны на рис. 27 в) и г). Примеры движений вещества, в которых происходит изменение плотности, показаны на рис. 27, а) и б). Такие типы движений происходят при рассмотренных выше адиабатических возмущениях.

Возвращаясь к вихревым возмущениям, отметим, что так как в них нет возмущений плотности, то не возникают и гравитационные возмущающие силы, ведущие к гравитационной неустойчивости. Сказанное относится только к таким движениям, когда применима теория Ньютона. Если вихревое движение охватывает столь большие массы вещества, что надо применять теорию Эйнштейна, то возмущающие гравитационные силы уже проявляются. Откуда они берутся? Вспомним (см. § 1 гл. 2), что в теории Эйнштейна гравитация зависит не только от распределения масс, но и от кинетической энергии их движения (а также и от давления, магнитных и других полей и т. д.). В вихревых движениях хотя и нет возмущений плотности, но есть вихревые скорости. Они-то и создают релятивистские эффекты тяготения. Разумеется, когда массы, охваченные движением, не очень велики (размеры возмущений много меньше гравитационного радиуса), а скорости много меньше световой, то все эти релятивистские эффекты малы.

Наконец, есть еще один тип возмущений, который важен для случая горячей Вселенной.

Рассмотрим ранний этап расширения, когда плотность массы реликтового излучения много больше плотности массы обычного вещества. Пусть реликтовое излучение распределено в пространстве однородно, а в обычном веществе есть уплотнения (рис. 28). Так как обычного вещества очень мало, то и его массой и давлением его частичек можно пренебречь. Вся масса и все давление определяются светом. Мы уже подчеркивали, что ионизованное вещество очень сильно взаимодействует со светом, непрозрачно для него. Поэтому в течение всего времени до рекомбинации неоднородности не будут ни расти, ни рассасываться, - вещество остается "вкрапленным" в излучение.

Такие возмущения получили название энтропийных. Название это связано со следующим обстоятельством. Вспомним, что энтропия (точнее, удельная энтропия) равна отношению плотности числа фотонов к плотности числа протонов. Так как плотность числа фотонов в рассматриваемых возмущениях постоянна в пространстве (реликтовое излучение однородно), а плотность вещества меняется от точки к точке, то, следовательно, и энтропия меняется от точки к точке, т. е. имеются возмущения энтропии.

В заключение напомним, что в космологии все типы возмущений рассматриваются на фоне расширяющейся материи. Как разные типы возмущений эволюционируют во времени? Ясно, что от ответа на этот вопрос зависит решение проблемы происхождения структуры Вселенной - возникновение небесных тел и их систем из первоначально малых возмущений.

Рис. 28. Энтропийные возмущения. Фотоны (точки на рисунке) распределены однородно. Обычное вещество (черные кружки) собрано в сгустки

Если мы знаем, как эволюционируют возмущения с течением времени и знаем, какие возмущения были во Вселенной в начале расширения, то мы можем, используя законы физики, рассчитать всю эволюцию возмущений и можем (хотя бы в принципе) рассчитать весь процесс образования небесных тел. Процесс эволюции всех типов малых возмущений поддается строгому математическому расчету. Эта часть проблемы может считаться решенной. Гораздо хуже обстоит дело с расчетом эволюции больших неоднородностей, когда они уже выделились в отдельные сгущения и начались сложные процессы в них и взаимодействие между сгущениями. Над этими вопросами усиленно работают теоретики. Но совсем не известно, какие возмущения были с самого начала космологического расширения, т. е. не известны начальные условия для решения всей проблемы.

Какие-то малые отклонения от однородности должны были быть. Иначе вещество не распалось бы на части, а, расширяясь, превратилось бы в однородный холодный газ, равномерно заполняющий все пространство. Эта картина совсем не похожа на то, что мы наблюдаем сегодня: скопления галактик, галактики, звезды.

Основным препятствием для решения проблемы возникновения крупномасштабной структуры, возникновения галактик, является незнание начальных условий.

По-видимому, единственной возможностью выяснить здесь истину является способ, аналогичный тому, к которому прибегли для решения проблемы первых секунд с начала расширения. Надо сделать разные предположения о начальных возмущениях, проанализировать их следствия и сравнить с наблюдениями.

Так и пытаются поступать. Однако, к сожалению, здесь дело обстоит гораздо сложнее, чем в проблеме первых секунд или даже первого миллиона лет с начала расширения. Там, как помнит читатель, были прямые и ясные свидетельства о протекавших процессах. Для первых секунд это был первичный гелий, для первого миллиона лет - реликтовое излучение. Стоило несколько изменить начальные условия и следствия были резко различные.

К сожалению, в проблеме возникновения галактик ситуация иная. По-видимому, разные типы возмущений могли привести к более или менее сходной конечной картине, наблюдаемой сейчас. Так это или не так, пока окончательно не выяснено: уж очень длинен и сложен путь от первичной маленькой неоднородности до галактики с сотнями миллиардов звезд, сложными движениями их и сложными процессами эволюции галактики в целом.

Поэтому и не утихают споры. Нет общепринятой теории происхождения галактик. Огромная работа проделана за последние десять лет и теоретиками и наблюдателями. Выяснены многие сложные процессы, но единства во взглядах, повторяем, нет.

Не удивительно ли, что мы достаточно уверенно судим о процессах, происходивших во время первых секунд расширения, и плохо знаем о событиях, случившихся гораздо ближе к нам по времени? Нет, это не удивительно. Наука не раз сталкивалась со сходными ситуациями. Например, мы с достаточной уверенностью знаем строение недр далеких звезд и ядерные процессы в них, и плохо представляем себе недра нашей собственной планеты Земли, хотя находимся на ней самой! Дело в том, что звезда состоит из нагретого газа, и рассчитать ее структуру гораздо проще, чем структуру твердой оболочки и полурасплавленных недр нашей Земли. Процессы в Земле гораздо более многообразны, чем в звездах! Аналогично, сравнительно просто рассчитать ядерные реакции в сверхгорячем сверхплотном веществе в начале расширения, и гораздо сложнее рассчитать процессы образования небесных тел.

Проблема образования галактик - это одна из самых актуальных проблем сегодняшней космологии.

Существует несколько вариантов теории образования галактик, или, лучше сказать, несколько гипотез^*.

^* (Мы рассматриваем здесь только гипотезы, согласно которым галактики и звезды образовались в результате конденсации первоначально почти однородного разреженного расширяющегося вещества Вселенной. Иногда высказываются и другие гипотезы, но мы их здесь не рассматриваем. О важнейшем из этих других направлений см. в Трудах акад. В. А. Амбарцумяна (Собрание трудов, Ереван, 1960).)

Гипотезы делятся на группы в зависимости от того, какой тип малых возмущений считается в основном ответственным за происхождение галактик. Имеются гипотезы адиабатические, вихревые и энтропийные.

Учитывая сказанное о разнообразии гипотез, мы поступим следующим образом. Рассмотрим в следующем параграфе эволюцию в расширяющейся Вселенной всех перечисленных выше типов малых возмущений. Эта задача, как уже отмечалось, решается точно и надежно ввиду того, что возмущения малы.

В следующем параграфе посмотрим, как из разных типов возмущений, после того как они стали большими, могли бы образоваться галактики.

Читателю, который интересуется этой проблемой, мы также рекомендуем книгу под редакцией С. Б. Пикельнера "Происхождение и эволюция галактик и звезд".