ОБРАЗОВАНИЕ СКОПЛЕНИЙ ГАЛАКТИК

После Большого Взрыва образовалось однородное вещество (состоящее из электрически заряженных частиц и фотонов), которое разбегалось во все стороны от «точки» Взрыва. Выясним, как из этого вещества образовались скопления и сверхскопления галактик и другие космические объекты.

В определенном смысле вещество во Вселенной распределено равномерно и в наше время. Это справедливо в том случае, если мы рассматриваем объемы с размером не менее 100–300 Мпк (мегапарсек). 1Мпк = 3,2106 световых лет = 3,086•1019 километров. Масса всего вещества, заключенного в таком объеме, равна массе вещества точно в таком же объеме, который размещен в любой части Вселенной. Но внутри этого объема вещество распределено неравномерно, то есть оно не является однородным. В наше время эта неоднородность очень сильная, ведь в этом объеме содержатся звезды с одной плотностью, межзвездный газ намного меньшей плотности и т. д. Но до того, как образовались космические объекты, все вещество в расширяющейся горячей Вселенной было однородным. Тем не менее оно содержало незначительные по величине нерегулярности (то есть отклонения плотности от среднего значения), которые характеризовались большими размерами. Масса вещества в каждой из таких неоднородностей плотности соответствует массе наблюдаемых космических систем (скоплениям и сверхскоплениям галактик). Эта изначальная неоднородность вещества во Вселенной возникла в результате характера Взрыва и превышала ту неоднородность, которая возникает всегда и везде в газе в результате тепловых флуктуаций. Известно, что в результате хаотического блуждания частиц газа при их тепловых движениях в некоторых областях среды плотность частиц случайно повышается, а в других — уменьшается.

Но если образовалась хотя бы самая незначительная неоднородность плотности вещества, то с течением времени она будет увеличиваться. Такое состояние является неустойчивым. Говорят, что вследствие неустойчивости неоднородность среды возрастает все больше и больше. Неустойчивости в природе вообще играют очень важную роль. В качестве примера можно напомнить о различных по своей физической природе неустойчивостях плазмы. В каждом случае неустойчивость возбуждает (и поддерживает) определенный физический процесс, связанный с действием определенной силы. В рассматриваемом здесь случае неустойчивость связана с действием силы притяжения (поэтому эта неустойчивость была названа гравитационной). Ее возникновение легко понять. Пока вещество идеально однородно и распределено в бесконечном объеме, гравитационные силы, действующие на каждую частицу и направленные в разные стороны, уравновешивают друг друга, и частица их не чувствует. Как только появилась неоднородность плотности, баланс сил нарушается и частица ощущает силу притяжения в сторону большей массы, то есть к центру неоднородности с большей плотностью, то есть с большей массой. Другими словами, частицы данной неоднородности (данного уплотнения) будут падать к ее центру, то есть будут еще больше уплотняться. Так уплотнение данной неоднородности будет расти. Но до каких пор? Что может остановить этот процесс? Уплотнение растет до тех пор, пока не будет остановлено давлением, сила которого направлена наружу, то есть противоположно сжимающей силе гравитации. Собственно, по этой причине мы не можем сжать газ до объема меньше определенной величины. Но кроме силы гравитации и давления на вещество данной неоднородности (как и на все вещество Вселенной) действует сила, обусловленная расширением вещества Вселенной. Эта сила разбрасывает частицы вещества, то есть заставляет их разбегаться, при этом объем, занятый веществом данной массы, увеличивается, а плотность вещества падает. Если мы имеем дело с неоднородностью, в которой вещество уплотнено по сравнению со средней величиной, то силе, связанной с расширением, противодействует сила гравитационного сжатия. При определенных условиях (это определяется плотностью среды и ее давлением, которые, в свою очередь, связаны с массой и размерами данной неоднородности, поскольку сила тяготения тем больше, чем больше масса, а значит, и размеры неоднородности) все действующие на частицы данной неоднородности силы (расширения, гравитации и давления) уравновешиваются: данная неоднородность (сгусток) больше не расширяется и не сжимается. Радиус сферы, на границах которой выполняется это условие, называется радиусом Джинса. Американский астрофизик Дж. Джинс в начале нашего века развил идею Ньютона о том, что первоначально однородное вещество (газ), распределенное в бесконечном пространстве, обязательно под действием силы гравитации соберется в комки, сгустки. Джинс учел действие давления и ввел понятие критического радиуса, который и был назван его именем. Правда, в это время еще не было известно, что Вселенная расширяется. Фридман установил это теоретически позднее, а модель горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основании экспериментальных данных, была создана Г.А. Га-мовым в 1940-е годы. Поэтому Джинс не мог рассматривать силу, связанную с расширением Вселенной. В его радиус входили только две силы: гравитации и давления. Тем не менее теория гравитационной неустойчивости Джинса является основополагающей в космологии. В 1946 году Е.М. Лифшиц развил ее на основе космологии Фридмана. Реликтовое излучение, предсказанное Г.А. Гамо-вым, было открыто в 1965 году А. Пензиасом и Р. Вильсоном. Оно органически вписалось в теорию гравитационной неустойчивости Лифшица, которая в настоящее время общепризнана.

Таким образом, слабые первоначальные неоднородности вещества в расширяющейся Вселенной постепенно в результате гравитационной неустойчивости усиливались с течением времени. В результате образовывались сгустки с радиусом Джинса, в пределах которых вещество переставало расширяться. Масса таких сгустков огромная. Кстати, массу вещества, заключенного в сфере с радиусом Джинса, называют джинсовой массой.

Радиус (или длина) Джинса очень большой. Он находится в пределах 100–300 Мпс. Это значит, что Вселенная расширяется только в масштабах, которые больше этого размера. В пределах расстояний 100–300 Мпс расширение Вселенной не чувствуется. Ему не подвержены ни галактики, ни тем более звезды, так же как и планетные системы. Собственно, даже скопления галактик не испытывают расширения. Это очень важно уяснить, поскольку у многих (неспециалистов) вызывает недоумение (а значит, и недоверие), как Вселенная может расширяться со скоростью в десятки тысяч километров в секунду.

На самом деле, как мы уже видели, эта скорость зависит от удаления космического объекта. Так, если скопление галактик находится от нас на расстоянии тысячи мегапарсек, то скорость его удаления достигает шестой части от скорости света! Таким образом, расширение Вселенной проявляется в том, что скопления галактик удаляются друг от друга с указанными выше огромными скоростями, тогда как внутри скоплений никакого расширения нет.

Радиус Джинса зависит от свойств среды. С течением времени после Большого Взрыва он постепенно увеличивался. В первом приближении можно считать, что он равен произведению скорости света на время, прошедшее от момента Большого Взрыва, то есть на возраст Вселенной. Это значит, что размер областей, которые «отключались» от всеобщего расширения Вселенной, постепенно увеличивался. Значит, увеличивается и масса, заключенная в каждой из этих областей (джинсовая масса). Так, спустя 1 секунду после Большого Взрыва эта масса, в пределах которой не происходит расширение вещества, меньше массы Солнца. Зато спустя один миллион лет она в тысячу раз больше, чем масса самых крупных скоплений галактик. Этот момент в истории Вселенной особый. Именно сейчас, спустя один миллион лет после Большого Взрыва, происходит образование первых во Вселенной атомов. До этого все вещество Вселенной состояло из заряженных частиц (плазмы) и излучения. Но поскольку к этому моменту температура вещества упала до 3 тысяч градусов, электроны и ионы смогли объединиться в нейтральные атомы. Так начался новый период в эволюции Вселенной, в течение которого Вселенная состоит из нейтрального вещества и излучения. До этого момента излучение (свет) было пленником плазмы, оно не могло выйти наружу. С этого момента излучение и вещество становятся независимыми (в определенных рамках) друг от друга. Свет уже не разбивает образовавшиеся сгустки вещества. Под действием гравитационной неустойчивости усиливаются сгустки вещества. Кардинальное изменение физических условий, которое происходит вследствие процессов рекомбинации (образования нейтральных атомов), очень сильно меняет величину массы Джинса. До этого в равновесии сил важную роль играло давление света, запертого в пределах плазмы. После того как свет вырвался на свободу, его давление можно не учитывать и условие равенства противодействующих на вещество сил (гравитации, давления, расширения) выполняется для значительно меньших масс. Другими словами, можно сказать, что масса Джинса после наступления рекомбинации резко уменьшается и составляет «всего» миллион солнечных масс (вместо тысячи масс самых крупных скоплений).

Очень важно иметь в виду, что усиление неоднородности плотности вещества с течением времени происходит только тогда, когда масса вещества возмущенного объема больше критической джинсовой массы. В пределах джинсового радиуса первоначально существующие неоднородности плотности не усиливаются. Это обстоятельство позволяет правильно представить крупномасштабную структуру Вселенной до того, как в ней образовались галактики. Другими словами, вначале создавались крупные образования. Образование более мелких (с размерами меньше радиуса Джинса) тормозилось. Таким образом, вначале во Вселенной происходило образование крупных объектов и только после этого — более мелких. Рассматривалась возможность первоначального образования «мелких» объектов, из которых впоследствии формировались крупные (скопления галактик). Но в настоящее время считается, что в процессе эволюции Вселенной этого не происходило.

Как развивались сгустки вещества с течением времени? Если сгусток имеет в точности размер радиуса Джинса, то он в конце концов примет шарообразную форму. При этом давление точно сбалансировано силой гравитации. Если размер сгустка больше, то есть масса его превышает массу Джинса, то сила гравитации преобладает над давлением (поэтому сгусток продолжает сжиматься). В этом случае не только не образуется шарообразный объект, но, если даже он первоначально был таковым, его форма со временем деформируется. Это происходит потому, что свободное гравитационное сжатие, при котором происходит свободное падение частиц к центру сгустка, не может происходить одинаково во всех направлениях. Любое отклонение со временем усиливается, что и определяет окончательную форму объекта. Поэтому образуется объект, имеющий уплощенную форму. Чем больше сгусток сжимается, тем больше давление внутри него, которое противодействует силе гравитации. В какое-то время должно наступить равенство этих сил и сжатие сгустка (облака) должно остановиться. Но в действительности сжатие облака происходит значительно сложнее. Когда скорости падения частиц под действием силы гравитации превышают скорость звука в данной среде, возникают ударные волны. Они-то и определяют дальнейший характер процесса сжатия облака.

Если рассматривать не одну падающую частицу, а целый их слой, то получится, что скорость этого слоя может превысить скорость звука в этой среде. В результате между внутренним слоем, в котором газ сжат, и внешним слоем падающего газа образуются две ударные волны. Каждая из них имеет свой фронт. Между фронтами этих ударных волн образуется своего рода щель, зазор, который должны преодолеть падающие частицы. Попадая туда, частицы газа испытывают торможение, и одновременно газ сжимается. Часть кинетической энергии падающего газа превращается в тепловую. В результате температура газа в щели между фронтами ударных волн увеличивается. В этой щели, где образуется уплотненный и более горячий слой газа, и происходят очень важные процессы, которые приводят в конце концов к образованию прародителей скоплений галактик — протоскоплений.

Между фронтами ударных волн создаются особые физические условия. Ближе к фронтам газ имеет температуру, достигающую десятков миллионов градусов. Плотность газа здесь очень мала (одна частица на 1000 кубических сантиметров). Между этими пограничными горячими слоями газа имеется слой, в котором температура составляет всего около десяти тысяч градусов. Но концентрация здесь больше (одна частица в одном кубическом сантиметре). В середине этого холодного слоя газа имеется тонкий слой, в котором температура еще ниже, а концентрация больше в десятки раз. Давление в этом узком центральном слое всюду одинаковое. Собственно, этот внутренний центральный плотный слой и является прародителем скопления галактик (протоскопления). В дальнейшем из него образуются отдельные галактики. Горячий газ в прифронтовых зонах остается незадействованным. Таким путем благодаря собственному тяготению вещества скопление галактик составляет стационарную систему, связанную гравитационными силами. Поскольку роль внутреннего давления возрастает, то форма скопления постепенно выравнивается и становится близкой к сферической. Такие скопления галактик называются правильными. Чем ближе к центру скопления, тем концентрация галактик становится больше. Между галактиками в скоплениях находится газ, температура которого достигает десятков миллионов градусов.

Описанный выше процесс образования крупных скоплений галактик и горячего межгалактического газа был исследован Я.Б. Зельдовичем и его учениками. Полученные теоретически результаты соответствуют тому, что наблюдается. Так, с помощью измерения рентгеновских лучей, испускаемых межгалактическим газом, было установлено, что его температура действительно достигает десятков миллионов градусов, как это следует из теории Я.Б. Зельдовича.