§ 4. Теория "блинов" и другие теории

Обратимся к процессам, которые возникают после рекомбинации. Теперь гравитационная неустойчивость может привести к образованию отдельных небесных тел. Мы кратко рассмотрим разные теории. Прежде всего сделаем замечание, относящееся ко всем теориям. Какого бы вида ни были возмущения в начале расширения Вселенной, амплитуда этих возмущений к моменту рекомбинации в масштабах, соответствующих современным галактикам и более крупных, была очень небольшой. Как мы уже упоминали, об этом свидетельствует реликтовое излучение. С помощью этого излучения мы "видим" момент рекомбинации, после чего Вселенная становится прозрачной для реликтового излучения. Если в момент рекомбинации, когда происходит "просветление" вещества, в нем имелись адиабатические сгущения, то в этих местах была несколько выше и температура реликтового излучения и мы увидели бы в направлении на сгущение чуть большую интенсивность реликтового излучения. На интенсивность излучения влияют также те скорости, которые были у вещества в эпоху просветления, будь то вихревые скорости или скорости акустических колебаний. Эти скорости меняют интенсивность излучения из-за эффекта Доплера. Еще одним фактором, меняющим интенсивность излучения, является красное гравитационное смещение в полях тяготения, связанных с возмущениями. Наблюдения реликтового излучения показывают, что интенсивность этого излучения в высшей степени постоянна по небу. До сих пор не найдено ни малейших отклонений от строгого постоянства интенсивности, несмотря на то, что относительная чувствительность таких измерении доведена примерно до ^ΔI/I ≈ 10^-4. Следовательно, возмущения всех видов в период рекомбинации действительно очень малы. Тем не менее гравитационная неустойчивость после рекомбинации заставляет эти возмущения расти и может привести к образованию небесных тел. Эти процессы мы сейчас и рассмотрим. Начнем с адиабатической теории, которая детально разработана советским физиком Я. Б. Зельдовичем и его школой.

Напомним, что согласно этой теории в первоначальной плазме были небольшие сгущения. К моменту рекомбинации из-за вязкости затухли все возмущения с массой меньше 10¹³ M. Следовательно, гравитационные силы заставят расти неоднородности с массой 10¹³ M и больше. По-видимому, наибольшая амплитуда возмущений была у сгустков с массой 10¹³ M. Все эти возмущения имеют массы много больше М_джннса ≈ 10⁵ M и поэтому силы давления не играют никакой роли в их росте (см. § 1 гл. 3). Мы сейчас увидим, что это ведет к очень своеобразной форме первых образований во Вселенной.

Чтобы разобраться в этом вопросе, рассмотрим стадию, когда силы гравитации в сгущении уже разогнали частицы сжимающегося вещества до некоторой скорости. Посмотрим, что будет дальше. Раньше предполагали, что будут расти комки по форме более или менее близкие к сферам. Оказалось, что это совсем не верно. Возникающие плотные образования будут иметь очень сплюснутую форму двумерных поверхностей, названных "блинами". Почему это происходит?

Рис. 30. Сжатие элемента среды после рекомбинации в адиабатической теории. а) Начало сжатия; скорости разные по разным направлениям; б) сжатие элемента в 'блин'

Рассмотрим какой-либо элемент среды сжимающегося сгущения, Скорости сжатия по разным направлениям, вообще говоря, различны (рис. 30). По некоторым направлениям может даже еще продолжаться в данном элементе расширение, в то время как по другим происходит сжатие. Во всяком случае всегда есть в данном элементе среды направление, по которому скорость сжатия наибольшая. Представим себе на мгновение, что мы "выключили" силы тяготения. Что произойдет? Силы давления, как было сказано, несущественны. Поэтому частицы будут двигаться по инерции с постоянной скоростью. Вдоль того направления, где скорость сжатия наибольшая, произойдет сплющивание элемента в "блин" (рис. 30). Вспомним про тяготение и "включим" его вновь; как оно изменит картину сжатия? Оказывается, очень несущественно. При сплющивании в "блин" силы тяготения нарастают, но очень незначительно. Это в корне отличается от сжатия сферы, когда силы тяготения нарастают неограниченно! В итоге при сжатии в "блин" силы тяготения на последних этапах усилят несколько скорости сжатия, но не изменят их существенно ни по величине, ни по направлению и не нарушат картину сжатия в "блин". В соседних элементах будет происходить подобный же процесс.

Рис. 31. Возникновение 'блинов' при моделировании процессов на ЭВМ. Возникающие 'блины' видны на рисунке в виде линий., вдоль которых концентрируются частицы

Таким образом, первые образования во Вселенной согласно адиабатической теории будут иметь форму двумерных "блинов". Поэтому всю теорию называют теорией "блинов". На рис. 31 показаны "блины", возникшие при численном моделировании процесса на ЭВМ. Массы первых возникающих "блинов" будут порядка

Массы возмущений, имеющих наибольшие начальные амплитуды в момент рекомбинации, т. е. порядка 10¹³ М (или 10¹⁴ М при несколько других параметрах). Эта масса имеет порядок величины, сходный с массой средних скоплений. Таким образом, по-видимому, "блины" - это протоскопления, из которых потом образуются скопления галактик. Какова дальнейшая судьба "блина"? На самых последних стадиях сжатия вещества в "блин" нельзя пренебрегать силами давления в уже очень плотном веществе. Возникают ударные волны и последующие слои газа, падающие в "блин", проходят через фронт ударной волны. Газ разогревается в ударной волне, и движение его становится турбулентным. В дальнейшем становятся существенными тепловые процессы нагрева и остывания газа. Анализ показывает, что в центральных частях "блина" газ остывает и распадается на массы порядка масс галактик и на звезды внутри галактик. Внешние части "блина", нагретые ударной волной, не успевают остыть, остаются в форме газа и этот газ входит в состав скоплений.

В теории адиабатических возмущений первоначально не было никаких вихревых скоростей. Силы тяготения сами по себе не сообщают возмущениям вращения. Откуда же берется вращение галактик, которое мы наблюдаем у спиральных и неправильных галактик? Согласно теории "блинов" вихревые скорости в веществе возникают после прохождения ударной волны и возникновения турбулентности.

И последний вопрос: когда произошел процесс образования "блинов" и галактик? По-видимому, это было в эпоху, соответствующую красному смещению z от 4 до 10.

Таковы в общих чертах процессы, приводящие к образованию скоплений галактик, галактик и звезд, согласно адиабатической теории.

Рассмотрим кратко, как рисуют картину возникновения структуры Вселенной другие теории.

Согласно энтропийной теории, которую сначала рассматривал Я. Б. Зельдович и его ученики, а затем развивали американцы Дикке и Пиблс, к моменту рекомбинации сохраняются, не затухают, сгустки вещества, которые были "вкраплены" в излучение. Никаких колебаний, никаких движений не происходило до рекомбинации, поэтому не было вязкости и не было затухания возмущений. Они были "заморожены". После рекомбинации могут расти из-за гравитационной неустойчивости все сгустки с массой М > М_джинса ≈ 10⁵ M. Меньшие по массе сгущения имеют, вероятно, большую амплитуду. Поэтому первыми будут становиться большими и обособляться сгущения с М ≈ 10⁶ М. В отличие от адиабатической теории, здесь существенны массы порядка М_джинса, а значит, силы давления играют все время заметную роль, выглаживая анизотропию сжатия и превращая сжимающиеся сгустки в шары. Первые образующиеся тела имеют шаровую форму. Их масса порядка массы шаровых звездных скоплений. Дикке и Пиблс предположили, что первыми возникали шаровые звездные скопления, которые сразу же фрагментировали на звезды. Уже позже шаровые скопления собирались в группы, образуя галактики, а те в свою очередь собирались в скопления галактик.

Таков наиболее вероятный вариант энтропийной теории.

Обратимся теперь к вихревой теории. Первые работы в рамках теории были выполнены Вейцзеккером и Гамовым; наиболее полно, теория развита советскими астрофизиками Л. М. Озерным, А. Г. Черниным, Г. В. Чибисовым и другими. Согласно наиболее вероятному варианту вихревой теории к моменту рекомбинации имеются вихревые движения со скоростями около 0,1 с и меньше в масштабах, охватывающих массы порядка 10¹³ М, и в больших масштабах.

После рекомбинации эти скорости приводят к возникновению неоднородностей плотности, а они за счет гравитационной неустойчивости увеличиваются; так формируются первые объекты, которые, фрагментируя и объединяясь друг с другом, задают современную картину галактик и скоплений.

В последнее время рассматриваются варианты теорий, которые являются комбинациями описанных.

Читатель видит, что до окончательного решения проблемы происхождения галактик еще очень далеко. Толъко сравнение предсказаний разных теорий с наблюдениями позволит сделать правильный выбор.

Очень важно в этом отношении продолжение наблюдений интенсивности реликтового излучения с еще большей точностью. Повышение точности связано с выносом приемных антенн за пределы атмосферы на космических аппаратах. Еще более важны попытки наблюдать молодые галактики в процессе их зарождения. Ясно, что для этого надо наблюдать далекие области пространства, от которых свет и радиолучи, выйдя в эпоху образования галактик, только сейчас достигают нас. Предложены разные способы таких поисков с помощью радиолучей, видимого света и рентгеновских лучей. Несомненно, в ближайшие годы здесь будут получены новые важные результаты.