Возникновение галактик в расширяющейся Вселенной

Прежде чем во Вселенной появились галактики, в ней некоторое время могли существовать необычные плоские образования — «блины». Они-то и распались на скопления галактик, галактики, звезды.

На какие вопросы должна ответить теория образования галактик

Когда и в какой последовательности возникали звезды, галактики и скопления галактик? Каковы характерные величины масс и плотностей галактик и их скоплений? Чем вызвано вращение звездных систем? Почему часть их собрана в скопления, а часть существует как галактики поля? Ответа на эти вопросы, прежде всего, ждут астрономы от теории происхождения галактик.

Теория должна выяснить взаимосвязь галактик, квазаров и межгалактической среды. Какая доля вещества Вселенной вошла в состав звездных систем и их скоплений, в каком виде существует вещество между галактиками и скоплениями галактик, почему при анализе спектров далеких квазаров все еще не найдено следов межгалактического вещества, какую роль играют квазары в образовании галактик?

Теория также должна сказать, какие особенности на догалактической стадии Вселенной привели к появлению всей ее иерархической структуры. Поэтому любая теория образования галактик должна опираться на определенную космологическую модель.

Единственный доступный нам сегодня способ получения некоторой информации о догалактическом периоде эволюции Вселённой — реликтовое излучение. Для теории происхождения галактик особенно важны два вывода космологии, основанные на исследовании спектра и распределения интенсивности реликтового излучения по небесной сфере. Во-первых, однородная и изотропная горячая космологическая модель Фридмана хорошо согласуется с наблюдениями и, во-вторых, в эпоху, предшествующую образованию галактик, во Вселенной не происходило активных процессов, сопровождавшихся значительным выделением энергии.

При создании теории мы обязаны исходить лишь из таких предположений о догалактической структуре Вселенной, которые не противоречат этим требованиям. Например, для объяснения вращения галактик казалось бы естественно допустить, что на догалактической стадии во Вселенной существовали сильные турбулентные движения. Однако эту гипотезу нелегко совместить с наблюдаемой изотропией температуры реликтового излучения.

Вероятная схема образования галактик в расширяющейся Вселенной разработана астрономами. За основу принята горячая космологическая модель Фридмана, предполагающая строго однородное распределение вещества в пространстве и строго изотропное его расширение (жаббловскее расширение). Согласно этой схеме, на ранних этапах эволюции Вселенной вещество было распределено в пространстве однородно и расширялось изотропно. Существовали лишь малые случайные возмущения скорости и плотности, возрастающие в ходе расширения из-за гравитационной неустойчивости.

Когда возмущения становились достаточно большими, происходило сжатие вещества ударной волной в плоские плотные объекты — «блины». Вещество в «блинах» нагревалось до высоких температур — вплоть до миллиона градусов. Под действием тепловой и гравитационной неустойчивости «блины», остывая, распадались на отдельные галактики и одновременно — на облака газа, в дальнейшем дробящиеся на звезды. Возможно, в этот период образовались квазары. Излучение нагретого газа «блина» и квазаров ионизовало окружающий газ, не вошедший в «блины». На догалактической стадии движения во Вселенной — безвихревые. Однако в ударных волнах при образовании «блина» появлялись вихревые скорости, приводящие к быстрой турбулизации сжатого газа и вращению возникающих галактик. В центральной части «блина» вихревые скорости были малы, поэтому здесь формировались преимущественно эллиптические галактики. Из-за движения отдельных галактик «блин» терял характерную плоскую форму. Часть галактик группировалась в скопления, часть рассеивалась, образуя галактики поля.

Эта схема происхождения галактик, не противоречащая современным наблюдениям, позволяет получить характерные значения массы галактик и их скоплений, величину момента вращения галактик, дает возможность с единой точки зрения подойти к вопросам происхождения и эволюции звезд, галактик, скоплений галактик. Вместе с тем схема сложна, содержит несколько последовательных этапов. Детальные расчеты затруднены статистическим, случайным характером начальных возмущений. Пока завершен лишь качественный анализ отдельных частей теории, которые мы и рассмотрим более подробно.

Гравитационная неустойчивость однородной Вселенной

Представляется очевидным, что однородно распределенное в пространстве вещество неустойчиво и собирается в сгустки под действием сил тяготения. Такие идеи высказывались еще И. Ньютоном. Количественно этот вопрос был рассмотрен впервые в работах Дж. Джинса. Он показал, что возмущения больших масштабов нарастают с течением времени, тогда как возмущения малых масштабов стабилизируются давлением вещества, которое оказывается сильнее тяготения. Масштаб, начиная с которого возмущения нарастают, носит название длины волны Джинса.

Согласно горячей космологической модели, на ранних этапах эволюции Вселенной температура вещества и реликтового излучения была высока, все вещество было ионизовано и находилось в равновесии с излучением. В эту эпоху давление излучения эффективно стабилизировало возмущения и длина волны Джинса была велика. В ходе расширения водород рекомбинирует, он становится нейтральным и перестает взаимодействовать с излучением. Давление излучения уже не играет роли в стабилизации возмущений. Длина волны Джинса резко уменьшается и определяется теперь только давлением вещества, которое много меньше давления излучения. Начинают расти возмущения всех масштабов, сохранившиеся до этого времени.

К моменту рекомбинации водорода возмущения частично затухают из-за влияния вязкости и теплопроводности. В результате после рекомбинации остаются лишь возмущения достаточно больших масштабов. Характерная масса, определяющая область затухания возмущений, играет в описываемой теории происхождения галактик фундаментальную роль. Ее величина определяет массу возникающего «блина», его температуру и дисперсию скоростей в нем. Масса и момент вращения галактик также зависят от этой величины.

Появление важной величины — массы, определяющей область затухания возмущений, которая зависит лишь от параметров космологической модели и физических постоянных,— крупный успех линейной теории гравитационной неустойчивости.

Образование и эволюция «блинов»

После рекомбинации водорода возмущения нарастают. Когда они становятся достаточно большими, для описания их эволюции необходимо использовать нелинейную теорию гравитационной неустойчивости, развитую академиком Я. Б. Зельдовичем.

Эта теория приводит к весьма неожиданным выводам. Оказывается, в областях, где плотность высока, сжатие вещества происходило главным образом в одном направлении. В результате возникает плотное двумерное образование — «блин». На границе «блина» набегающий поток вещества резко тормозится, сжимается и нагревается в ударной волне. «Блин» быстро растет, увеличивая свою толщину и площадь. Его размеры, а также масса и температура газа в «блине» определяются фактически двумя параметрами — масштабом затухающих на линейной фазе развития возмущений и средней плотностью в момент образования «блина», которая связана с амплитудой начальных возмущений.

Любая теория происхождения галактик — теория статистическая. Начальные возмущения случайны, «блины» образуются постепенно в разных точках пространства и в разное время. Возникшие раньше «блины» имеют большую массу, большой размер, в них газ сильнее сжат и разогрет. Чем позже появился «блин», тем меньше его масса, плотность и температура. Наблюдения указывают, что средняя плотность Вселенной, по-видимому, очень мала. Поэтому начиная с некоторого момента гравитационное взаимодействие становится столь незначительным, что «блины» вообще перестают образовываться.

«Блины», распадаясь, порождают наблюдаемые сегодня скопления, группы и отдельные галактики. Центральные части крупных, рано возникших «блинов» образуют гигантские скопления галактик. Мелкие «блины» и появившиеся позднее внешние части крупных «блинов» превращаются в галактики поля.

Несмотря на различие масс и размеров, в структуре всех «блинов» много общего. Прежде всего, в центральной плоскости «блина» температура газа сравнительно низка — не более тысячи градусов и, соответственно, высока плотность газа. Вдали от центра, напротив, плотность газа мала, а температура достигает миллиона градусов. Эта неоднородность структуры «блина» с течением времени усиливается, ибо более плотный и холодный газ остывает быстрее. «Блин» распадается на внутренний слой с температурой около 10 тыс. градусов и внешний с температурой около 1 млн. градусов.

Наружные части «блина» не успевают остыть до современной эпохи и, возможно, как горячий газ входят в состав скоплений галактик. Эти представления согласуются с наблюдениями: в некоторых скоплениях галактик зарегистрировано рентгеновское излучение горячего газа. Внутренние, остывшие до 10 тыс. градусов части «блина» дробятся на отдельные облака газа и одновременно на галактики. Остывание горячего газа сопровождается мощным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением, которое тут же поглощается окружающим «блин» нейтральным газом. Вокруг «блина» возникает зона ионизованного газа, подобная зонам, окружающим горячие звезды. Видимо, в этот период появляются первые квазары, также играющие важную роль в фотоионизации газа.

С течением времени весь газ, не вошедший в «блины», ионизуется их излучением. (Межгалактический газ способны ионизовать и квазары, если средняя плотность Вселенной не слишком высока.) Вероятно, поэтому в спектрах далеких квазаров нет никаких указаний на присутствие нейтрального водорода между галактиками.

Вращение галактик

Долгое время считалось, что наблюдаемое вращение галактик свидетельствует о том, что и на догалактической стадии эволюции во Вселенной существовали вихревые движения. Между тем, согласно теории гравитационной неустойчивости, такие движения в расширяющейся Вселенной затухают. Для объяснения вращения галактик приходится допускать, что в догалактическую эпоху вихревые движения были очень мощными. Но тогда неизбежен отказ от космологической модели Фридмана. Потребуется новое решение всей совокупности космологических проблем и сложных задач эволюции неоднородностей на догалактической стадии расширения Вселенной.

В предлагаемой схеме образования галактик подобное, на первый взгляд естественное объяснение вращения галактик невозможно. Все движения на догалактической стадии должны быть безвихревыми. Но из гидродинамики хорошо известно, что в ударной волне могут возникать вихревые составляющие скорости. Таким образом, хотя вне «блинов» движение остается безвихревым, внутри них — в сжатом газе — движение вихревое. В этом газе развивается турбулентность, которая приводит к образованию не единого слоя, а отдельных облаков холодного газа и к перемешиванию горячего газа с облаками холодного. Слой, занятый облаками холодного газа, из-за гравитационной неустойчивости распадается на отдельные галактики, причем их масса и момент вращения непосредственно связаны с толщиной слоя облаков. Она возрастает по мере удаления от центра «блина».

В центральной части «блина» вихревые скорости малы, поэтому турбулентные движения не увеличивают толщину слоя холодного газа. Здесь образуются в основном эллиптические галактики большой массы, обладающие в то же время малым вращением. Дальше от центра турбулентные движения становятся мощнее — облака холодного газа занимают более толстый слой. В этой области возникают преимущественно спиральные галактики. Еще дальше от центра, где уже и сам «блин» недостаточно мощный, формируются и менее массивные звездные системы.

Численные оценки теории согласуются как с наблюдающимся вращением галактик, так и с массами отдельных звездных систем. Не противоречит теории и тот факт, что наиболее массивные эллиптические и спиральные звездные системы входят в состав скоплений галактик. Но нельзя забывать, что теория образования галактик статистична. Поэтому среди спиральных галактик, вдали от центра «блина», могут встречаться эллиптические, а среди не входящих в скопления галактик поля могут попадаться и гигантские звездные системы.

Еще одно очень интересное следствие предлагаемой схемы: в момент формирования галактик их вещество было весьма неоднородно. Большая часть вещества галактик была собрана в отдельные плотные облака, распавшиеся впоследствии на звезды. Эти облака по своим параметрам близки к шаровым скоплениям звезд, которые обычно рассматриваются как древнейшие объекты нашей Галактики.

Можно ли увидеть отдельный «блин»

Предлагаемая теория образования галактик не противоречит современным экспериментам. Однако решающим, прямым ее подтверждением явилось бы, конечно, непосредственное наблюдение «блинов». Это требует специальных сложных экспериментов.

Наиболее интересна возможность наблюдения холодной части «блина» в радиоизлучении нейтрального водорода с длиной волны 21 см. Большие угловые размеры «блина» и высокая яркостная температура излучения позволяют надеяться, что этим методом «блины» удастся обнаружить. Но из-за космологического расширения длина волны приходящего к нам излучения «блина» смещена, причем неизвестно насколько. Это сильно осложняет поиски «блинов», так как придется исследовать широкий спектральный интервал — от 40 см до 2 м.

Можно увидеть отдельный «блин» и на фоне квазара. В спектре этого квазара должны наблюдаться мощные линии поглощения, принадлежащие холодному газу «блина». Они смещены относительно линий, характерных для самого квазара. Вероятность, что «блин» проецируется на квазар с большим красным смещением, невелика, однако и такую возможность необходимо иметь в виду.

Следы характерного «плоского» расположения галактик в «блине» могут быть выявлены при внимательном изучении распределения галактик на небе. Так, сплющенная форма местного сверхскопления галактик, возможно, унаследована от «блина». Этот вопрос требует более тщательного изучения.

Предлагаемая теория образования галактик опирается на очень серьезные допущения — изотропию и однородность Вселенной, малость начальных возмущений. На первый взгляд для ранних этапов эволюции Вселенной более привлекательна картина хаоса, в которой существуют большие скорости, значительные неоднородности плотности, гравитационные волны и др. Но наблюдения распределения и разбегания галактик, исследование свойств реликтового излучения указывают, что Метагалактика с хорошей точностью может быть описана однородной и изотропной моделью Фридмана. Эксперимент свидетельствует именно в пользу предположений, лежащих в основе описанной выше теории.

Широко распространено мнение, будто характерные значения параметров галактик и их скоплений отражают особенности неоднородностей, существовавших в догалактическую эпоху эволюции Вселенной. В предлагаемой теории, напротив, главную роль играют процессы, происходящие в «блинах» на нелинейной стадии развития возмущений. Развитие тепловой и гравитационной неустойчивости в «блине», появление и затухание мощных турбулентных движений, статистичность начальных возмущений — вот что приводит, согласно этой теории, к наблюдаемому разнообразию космических объектов: различных галактик, скоплений галактик, квазаров и др.

Теория разрабатывается, проводятся большие и сложные статистические расчеты, нужны более тщательные эксперименты. Но и уже полученные результаты убеждают нас в том, что теория образования и эволюции галактик может быть построена в рамках обычных представлений, без нарушения фундаментальных законов физики.

Автор: А. Г. Дорошкевич.