Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках - Мухин Лев Михайлович. Страница 28

Что это значит? Астрономия стала всеволновой. Наблюдения проводятся сейчас в широком диапазоне электромагнитных колебаний — от радиоизлучения до гамма-лучей. Естественно, чем дальше от нас находится объект, тем в более раннюю эпоху видит его астроном-наблюдатель. Свет от далеких галактик идет до Земли миллиарды лет, и мы видим эти галактики такими, какими они были миллиарды лет назад.

Ситуация здесь напоминает почтовые отправления. Распечатывая конверт и читая письмо, мы узнаем лишь о тех событиях, которые произошли до момента написания письма. В астрономии роль писем взяли на себя кванты электромагнитного излучения. Но расстояния между адресатами огромны, и поэтому мы в принципе не можем знать, что происходит с далекими объектами в данный момент времени. Ведь скорость передачи любой информации ограничена значением скорости распространения света.

Группа из пяти взаимодействующих галактик.

Галактика М 81.

Сталкивающиеся галактики.

Реликтовый фон дает сведения об эпохе отделения излучения от вещества, так как именно в это время электромагнитные колебания получили возможность свободно распространяться. Попытки наблюдений более ранней Вселенной напоминали бы попытки разглядеть что-либо в плотном тумане. Здесь речь идет, разумеется, о наблюдениях с помощью электромагнитных волн. Развитие нейтринной астрономии, безусловно, поможет заглянуть в более отдаленное прошлое нашего мира. Но на сегодня эта возможность отсутствует.

Что же говорит нам реликтовый фон об эпохе отделения излучения от вещества? Основной результат наблюдений состоит в том, что фоновое излучение однородно. В каком бы участке неба мы ни производили измерение свойств реликтового излучения, результат будет один и тот же. Но это означает, что и вещество в эпоху отделения было также очень однородным. А тогда мы снова сталкиваемся с противоречием между изначальной однородностью Вселенной и грандиозным разнообразием ее структуры. Где же выход?

Здесь уместно вспомнить о пророческой идее Ньютона, высказанной около 300 лет тому назад в письме к ректору Тринити колледжа в Кембридже Р. Бантли. Ньютон писал: «Но если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, оно никогда не собралось бы в единую массу. Часть его могла бы собраться в одну массу, а часть — в другую, так что образовалось бы бесконечное число больших масс, разбросанных по бесконечному пространству на огромных расстояниях друг от друга».

Именно эта мысль гениального Ньютона является одним из краеугольных камней современных теорий образования крупномасштабных структур Вселенной.

Второе важное обстоятельство, которое мы с вами обязательно должны принять во внимание: так называемые малые возмущения, флуктуации — небольшие отклонения от однородности и изотропии.

Действительно, одной лишь силы гравитации в бесконечной однородной среде недостаточно для ее структурирования. Необходимо наличие неких «затравок». Здесь напрашивается аналогия с образованием облаков в атмосфере. Хорошо известно, что водяной пар начинает конденсироваться на крохотных частичках, называемых ядрами конденсации. Этими ядрами могут быть, например, крупинки поваренной соли или сажи. Но и в том случае, если бы атмосфера не содержала этих ядер, процессам конденсации благоприятствовали бы незначительные флуктуации плотности, которые всегда имеют место в реальной атмосфере.

Конечно же, разница между ранней Вселенной и атмосферой, между галактиками и тучами велика. Тем не менее и в том, и в другом случае необходимы затравочные флуктуации. Для решения вопроса об эволюции этих флуктуаций необходимо учитывать их начальные размеры и, конечно же, тот факт, что флуктуации возникают в расширяющейся Вселенной. Дело в том, что статическая Вселенная была бы крайне неустойчива по отношению к локальному сжатию или расширению.

Постараемся понять физический смысл роста начальных флуктуаций плотности, запомнив при этом довольно печальную для любой теории вещь: происхождение флуктуаций, из которых в конце концов возникнут галактики, остается на сегодняшний день загадкой. Попробуем более подробно рассмотреть, какие процессы могут происходить в изначально полностью однородной и изотропной среде. Вообще говоря, такая среда не может быть устойчивой, поскольку в ней действуют различные силы. Какие же?

В такой среде действует лишь одна сила — тяготение. Ведь в этой среде нет ни перепадов давления, ни потоков, ни каких-либо других неоднородностей вещества. И тем не менее этой силы оказывается вполне достаточно, чтобы нарушить однородность исходной среды и создать в ней неоднородности. Именно эта сила и создает первичные «куски» вещества в изначально однородной Вселенной.

Как это происходит? Представим себе для наглядности, что в каком-то районе среды немного повысилась ее плотность, или, иными словами, возникла флуктуация плотности. В соответствии с законом всемирного тяготения частицы среды начнут притягиваться к участку с большей плотностью и тем самым стремиться еще больше увеличить плотность этого участка.

Но мы пока не учитывали силу, которая неизбежно возникнет при увеличении плотности и начнет противодействовать силе гравитации. Эта сила — перепад давления. В данном случае именно возрастание давления прекращает в конце концов процесс сжатия.

Разумеется, схема, которую мы здесь нарисовали, чересчур упрощена, носит слишком качественный характер и может вызвать некоторое недоумение у читателя. Ведь применительно к расширяющейся Вселенной необходимо учитывать характер расширения. Кроме того, хорошо было бы знать и размеры, и массу первоначальных сгущений.

Анализ процессов гравитационной неустойчивости в однородной покоящейся среде привел к понятию «джинсовой массы» и «джинсова размера» (в честь Д. Джинса — знаменитого английского астронома, занимавшегося вопросом гравитационной неустойчивости). Джинсова длина — это критический размер участка нашей среды, при котором сила тяготения сравнима с перепадом давления в объеме этого участка. Джинсова масса — это масса участка, обладающего критическим размером.

Что дают нам понятия критической длины и массы? Ответить на этот вопрос довольно просто. Флуктуация — это такое образование, которое обязано или жить и развиваться, или в конце концов исчезнуть. Статичной она быть не может. Судьба флуктуации полностью определяется результатом конкурентной борьбы гравитации и перепада давления, а критическая масса и размер — количественный критерий этого результата. Естественно, что джинсова длина прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна плотности среды.

Если размеры сгущения меньше критической длины Джинса, то сила давления преобладает над гравитацией, и в конце концов сгущение начнет расширяться. Более того, при расширении это сгущение по инерции «проскочит» среднее значение плотности окружающей среды и станет менее плотным, чем среда. Естественно, возникнет разность давлений, и рассматриваемый нами участок среды (теперь мы уже не можем называть его сгущением) некоторое время будет испытывать колебания плотности, которые рано или поздно затухнут из-за вязкости, и от сгущения не останется и следа.

Гипотетическая ледяная планета в созвездии Лиры.

Если же размеры превышают критическую длину Джинса, то плотность сгущения будет расти, причем размеры таких сгущений определяются величиной начальных малых флуктуаций плотности. При исследовании этого вопроса, как мы уже говорили, совершенно необходимо учитывать то радикальное обстоятельство, что все процессы дифференциации вещества происходили в расширяющемся мире.