Текст книги "Разумная жизнь во Вселенной"

Автор книги: Юрий Мизун

Соавторы: Юлия Мизун
сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 29 страниц)

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). 1 Мпк = 3,2·10б 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. Гамовым 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. Гамовым, было открыто в 1965 году А. Пензиасоми 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 раз-мера. 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 самомделе, как мыуже видели, эта скорость зависит от удаления космического объекта. Так, если скопление галактик находится от нас на расстоянии тысячи мегапар-сек, 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 незадействован-ным. 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.

ОБРАЗОВАНИЕ ГАЛАКТИК

Получив представление о том, как образовались самые крупные скопления галактик, рассмотрим, как образовались сами галактики. С процессом их образования тесно связано их вращение. Известно, что практически все галактики, независимо от своей формы, вращаются, хотя характер этого вращения и различен. Наиболее примечательны в этом смысле спиральные галактики. Диски этих галактик вращаются со скоростью, при которой возникающая центробежная сила уравновешивается силами притяжения галактики. Более быстрое вращение диска невозможно, он под действием центробежных сил разлетелся бы на отдельные звезды. Спиральная галактика кроме диска состоит и из сферической подсистемы, которая вращается в несколько раз медленнее.

Период вращения спиральных галактик находится в пределах от 30 миллионов до миллиарда лет (наиболее часто, около 300 миллионов лет). Таким образом, за время своего существования, измеряемого 10 миллиардами лет, они успели совершить всего несколько десятков оборотов.

Эллиптические и неправильные галактики, которые в сумме составляют около одной третьей всех спиральных галактик, вращаются со значительно меньшими скоростями.

Рождение вихрей, которые в конце концов проявляют себя во вращении галактик, происходит на фронтах ударных волн, поскольку там имеются разрывы в скорости, плотности и давлении среды. Вихри рождаются в том случае, если на фронт ударной волны набегает газ, в котором имеются возмущения, то есть неоднородности плотности (сгущения или разрежения). При этом образуются вихри, которые соизмеримы с этими сгустками. Если массы этих сгустков сравнимы с массами галактик, то из них в конце концов и могут образоваться галактики. Но прежде в результате уплотнения сгустков образуются протогалактики. Вращение протогалактических сгустков рождается при прохождении сгустка через фронт ударной волны. Завихренность, кроме того, возникает и при распространении возмущений (безвихревых) в слое между ударными фронтами. Это происходит из-за неоднородности в распределении плотности и температуры вещества слоя, если движение направлено под углом к плоскому слою.

Таким образом, в газовом протоскоплении возникают и запутанные вихревые движения. Поэтому в метагалактической среде образуются слои с турбулентностью, то есть с внутренними вихревыми, вращательными движениями. В этих слоях газ очень горячий и сильно сжат. Каждый такой вихрь может охватывать массу, сравнимую с массой отдельной галактики. В дальнейшем такой вихрь обособляется и под действием силы гравитации конденсируется. В результате из него возникает быстро вращающаяся спиральная галактика.

Возникают не просто отдельные вихри, а определенная их иерархия: вихревые ядра (наиболее крупные вихри) поддерживают и снабжают энергией вихри меньших масштабов. Энергия передается каскадным путем от немногих крупных вихрей к большому числу вихрей с меньшими размерами. В конце концов самые мелкие вихри расходуют свою энергию на преодоление вязкого трения. Оно переходит в энергию тепловых движений частиц.

Таким образом, быстрое вращение галактик, обусловленное внутренними турбулентными вихрями в протоскоп-лениях, возникает в результате тех же движений, которые создают сами облака – протоскопления. Это логично. Описанную выше теорию происхождения вращения галактик разработал советский астрофизик А.Д. Чернин. В рамках этой теории находит объяснение и разный характер вращения разных галактик. Так, считается, что обособившиеся вихревые ядра образовали гигантские спирали, а вихри турбулентного каскада породили спиральные галактики меньших масс, то есть неправильные галактики, имеющие клочковатую структуру. У них отсутствует какая-либо правильная видимая структура.

Правильные скопления, которые имеют форму сферы или эллипсоидов, произошли от «блинов», которые были описаны ранее и теоретически разрабатывались Я.Б. Зельдовичем. Их внутренние движения поэтому спокойнее, там отсутствует мощная внутренняя турбулентность. В правильных скоплениях преобладают эллиптические галактики, вращение которых гораздо слабее, чем спиральных.

Что собой представляют спирали (рукава) галактик? В 1964 году астрофизики Лин Цзя-Цзяо и Ф. Шу установили, что спираль галактики представляет собой волну, которая распространяется по диску галактики. Эта волна при своем распространении переходит от одних частиц (под частицами мы понимаем и звезды) к другим, при этом вызывает их уплотнение. Таким образом, спирали (рукаву) в одно время принадлежат одни звезды, а в другое – другие, так как в каждом месте, где находится волна, происходит уплотнение тех звезд, которые там находятся. В спиральных рукавах галактик сосредоточены самые яркие и молодые звезды. Их образование происходит непрерывно и не прекратилось и в наши дни.

Волна, распространяющаяся в спиральной галактике, имеет вид не окружности (как волна на поверхности воды от брошенного камня), а спирали, потому что вся галактика вращается. Если вся вода вращается (воронка на воде), то и волна на ней имеет форму не окружности, а спирали. Такое представление о физической природе спиральных рукавов галактик хорошо согласуется с экспериментальными данными. Так, было установлено, что спиральный рукав находится в однородном вращении, то есть он вращается как единое целое с постоянной угловой скоростью. Это несмотря на то, что различные части галактики вращаются с разными угловыми скоростями (дифференциально): внутренняя область галактики вращается как твердое тело, то есть с постоянной угловой скоростью, а за ее пределами по мере приближения к краю галактики угловая скорость вращения уменьшается. Тем не менее скорость вращения спирального рукава постоянна везде. Она создается распространяющейся волной. Может создаться впечатление, что эта волна очень мощная, если судить по светимости спиральных рукавов. На самом деле здесь важную роль играет тот факт, что в спиральном рукаве находятся яркие, молодые звезды, и поэтому, несмотря на то, что волна уплотняет их всего на 10 процентов, спиральные рукава хорошо видны даже в далеких спиральных галактиках. Но почему в спиральных рукавах сосредоточены молодые, яркие звезды? Да потому, что они там рождаются. Распространяющаяся волна уплотняет не только звезды, но и межзвездный газ. В результате он конденсируется в звезды, которые, пока молоды, светят очень ярко. Поэтому они сильно выделяются среди других звезд диска галактики и благодаря им хорошо просматриваются спиральные рукава. Наблюдения подтвердили, что спиральную форму имеют не только области, занятые звездами, но и области, занятые нейтральным водородом в диске нашей Галактики. Рукава, заполненные нейтральным водородом, очерчены молодыми звездами. Такая картина может иметь место только в том случае, если из этого газа достаточно быстро образовались звезды и если яркая стадия образованных звезд не очень длительная. Ясно, что в противном случае границы рукавов для газа и звезд не совпадали бы, так как рукава (волна) находятся в движении.

Поскольку скорость вращения спирального узора и скорость вращения диска галактики различны, происходит протекание газа сквозь спиральный рукав со сверхзвуковой скоростью. При этом неизбежно возникает ударная волна (когда газ сталкивается с рукавом). Газ в ударной волне претерпевает сильное сжатие, с которого и начинается образование звезд. Видимо, имеются и другие возможности образования звезд в спиральных рукавах галактик. Но все они, несомненно, связаны с уплотнением спиральной волны межзвездного газа. Остается еще ответить на вопрос: откуда взялась волна, производящая уплотнение газа и звезд? Однозначного ответа пока нет. Имеются две возможности. Волна может возбуждаться другой галактикой – спутником данной галактики или же значительным сгущением, которое находится на периферии. Поле тяготения этого периферийного объекта может вызывать возмущения в общем поле тяготения диска галактики, которые будут проявляться в диске в виде спиральной волны. При этом волна будет распространяться от периферии к центру галактики. Описанная возможность возбуждения спиральных волн весьма реальна и не противоречит наблюдениям. Ведь многие галактики имеют на концах своих спиральных ветвей необходимые для этого сгущения.

Тем не менее возможен и другой вариант: источник волны расположен в центре галактики. Таким источником могла бы быть гидродинамическая неустойчивость в центре диска галактики, которая возникает вследствие особого характера вращения в центре. Возможным генератором волны могло бы быть вращение некоторого несимметричного образования, которое должно вызывать возмущение поля тяготения диска галактики. Окончательно этот вопрос разрешит время.

Различные типы спиральных галактик показаны на рисунке 5.