Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках

Мухин Лев Михайлович

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.

Качественная картина возникновения и роста сгущений справедлива лишь для бесконечной, однородной среды, содержащей затравочные флуктуации. Пионерские работы, в которых исследовалось поведение малых возмущений в однородной расширяющейся

среде, были выполнены в нашей стране сразу после войны академиком Е. Лифшицем. Эти работы показали, что в реальном случае расширяющейся Вселенной участки среды с большей плотностью будут расширяться несколько медленнее, чем Вселенная в целом. Это понятно, поскольку тяготение в этих участках сильнее, и оно будет препятствовать расширению. Эти области будут постепенно отставать в расширении от Вселенной, а в какой-то момент времени они и совсем перестанут расширяться. Они как бы отключатся от общего космологического расширения Вселенной.

Теория, развитая Е. Лифшицем, позволяет аккуратно и точно рассчитывать временную эволюцию сгущений и их начальную величину. И вот именно здесь возникают весьма серьезные трудности.

Мы уже говорили о процессах конденсации влаги в атмосфере. В этих процессах также велика роль флуктуаций плотности. Они носят чисто тепловой характер. Эти флуктуации возникают из-за случайного повышения плотности воздуха в силу хаотического движения молекул газовой среды. Кстати говоря, Джинс в своих работах рассматривал именно тепловые флуктуации как затравочные центры гравитационной неустойчивости.

Не представляет особенной сложности оценить величину чисто тепловой флуктуации плотности, в системе из N частиц. Это может быть стакан воды, атмосфера, район Вселенной, содержащей число частиц, соответствующее, к примеру, числу частиц в нашей Галактике ( 10⁶⁸). Поскольку для любой термодинамической системы относительное значение флуктуации плотности равно просто 1/N, то для N = 10⁶⁸ относительная величина теплового возмущения плотности равна 10^–34.

Пора, наконец, сказать, что относительная величина возмущения плотности определяется как ( – _c)/_c, где — плотность в районе возмущения, а _c — средняя плотность среды. Итак, тепловые флуктуации дают очень небольшие отклонения от средней плотности среды. Но теория Лифшица требует, чтобы в момент времени, равный одной секунде после Большого Взрыва, во Вселенной существовали начальные возмущения, относительная величина которых никак не меньше 10^–17. Как мы видим, разница здесь огромная.

Казалось бы, что такое 10^–17? Очень маленькая величина. Но в то же время она на 17 порядков превышает значение чисто тепловых флуктуаций. И именно вопрос о том, какие процессы в ранней Вселенной могли привести к появлению флуктуаций требуемой величины, мучает теоретиков уже многие годы.

Число нерешенных проблем в этой области как туман закрывает от нас таинство происхождения галактик. Разумеется, картину нельзя назвать уж совсем безрадостной. Общий подход здесь более или менее ясен. Были малые начальные флуктуации, работала гравитационная неустойчивость, и на небе астрономы отчетливо видят галактики. Нужно лишь проследить и описать в рамках какой-то разумной теории всю эту картину. Но когда теоретики пытаются прийти к общей точке зрения по поводу ключевого вопроса в этой проблеме, вопроса о начальных возмущениях, выросших впоследствии в галактики, в их лагере сразу же появляются противоречия и споры не утихают по сегодняшний день.