Виникнення галактик у Всесвіті, що розширюється

Перш ніж у Всесвіті з’явилися галактики, в ньому деякий час могли існувати незвичайні плоскі утворення — «млинці». Вони-то і розпалися на скупчення галактик, галактики, зірки.

На які питання повинна відповісти теорія утворення галактик

Коли і в якій послідовності виникали зірки, галактики і скупчення галактик? Які характерні величини мас і густин галактик та їх скупчень? Чим викликане обертання зоряних систем? Чому частина їх зібрана в скупчення, а частина існує як галактики поля? Відповіді на ці питання, перш за все, чекають астрономи від теорії походження галактик.

Теорія повинна з’ясувати взаємозв’язок галактик, квазарів і міжгалактичного середовища. Яка частка речовини Всесвіту увійшла до складу зоряних систем і їх скупчень, в якому вигляді існує речовина між галактиками і скупченнями галактик, чому при аналізі спектрів далеких квазарів все ще не знайдено слідів міжгалактичної речовини, яку роль відіграють квазари в утворенні галактик?

Теорія також повинна сказати, які особливості на догалактичній стадії Всесвіту призвели до появи всієї її ієрархічної структури. Тому будь-яка теорія утворення галактик повинна спиратися на певну космологічну модель.

Єдиний доступний нам сьогодні спосіб отримання деякої інформації про догалактичний період еволюції Всесвіту — реліктове випромінювання. Для теорії походження галактик особливо важливі два висновки космології, засновані на дослідженні спектру і розподілу інтенсивності реліктового випромінювання по небесній сфері. По-перше, однорідна і ізотропна гаряча космологічна модель Фрідмана добре узгоджується зі спостереженнями і, по-друге, в епоху, що передує утворенню галактик, у Всесвіті не відбувалося активних процесів, що супроводжувалися значним виділенням енергії.

При створенні теорії ми зобов’язані виходити лише з таких припущень про догалактичну структуру Всесвіту, які не суперечать цим вимогам. Наприклад, для пояснення обертання галактик здавалося б природно припустити, що на догалактичній стадії у Всесвіті існували сильні турбулентні рухи. Однак цю гіпотезу нелегко поєднати з спостережуваною ізотропією температури реліктового випромінювання.

Ймовірна схема утворення галактик у Всесвіті, що розширюється, розроблена астрономами. За основу прийнята гаряча космологічна модель Фрідмана, що припускає строго однорідний розподіл речовини в просторі і строго ізотропне її розширення (жаббловське розширення). Згідно з цією схемою, на ранніх етапах еволюції Всесвіту речовина була розподілена в просторі однорідно і розширювалася ізотропно. Існували лише малі випадкові збурення швидкості і щільності, зростаючі в ході розширення через гравітаційну нестійкість.

Коли збурення ставали досить великими, відбувалося стиснення речовини ударною хвилею в плоскі щільні об’єкти – «млинці». Речовина в «млинцях» нагрівалася до високих температур — аж до мільйона градусів. Під дією теплової та гравітаційної нестійкості «млинці», остигаючи, розпадалися на окремі галактики і одночасно — на хмари газу, що надалі дробилися на зірки. Можливо, в цей період утворилися квазари. Випромінювання нагрітого газу «млинця» і квазарів іонізувало навколишній газ, що не увійшов в «млинці». На догалактичній стадії рухи у Всесвіті – безвихрові. Однак в ударних хвилях при утворенні «млинця» з’являлися вихрові швидкості, що призводять до швидкої турбулізації стисненого газу і обертання виникаючих галактик. У центральній частині «млинця» вихрові швидкості були малі, тому тут формувалися переважно еліптичні галактики. Через рух окремих галактик «млинець» втрачав характерну плоску форму. Частина галактик групувалася в скупчення, частина розсіювалася, утворюючи галактики поля.

Ця схема походження галактик, що не суперечить сучасним спостереженням, дозволяє отримати характерні значення маси галактик та їх скупчень, величину моменту обертання галактик, дає можливість з єдиної точки зору підійти до питань походження та еволюції зірок, галактик, скупчень галактик. Разом з тим схема складна, містить кілька послідовних етапів. Детальні розрахунки ускладнені статистичним, випадковим характером початкових збурень. Поки завершено лише якісний аналіз окремих частин теорії, які ми і розглянемо більш докладно.

Гравітаційна нестійкість однорідного Всесвіту

Видається очевидним, що однорідно розподілена в просторі речовина нестійка і збирається в згустки під дією сил тяжіння. Такі ідеї висловлювалися ще І. Ньютоном. Кількісно це питання було розглянуто вперше в роботах Дж. Джинса. Він показав, що збурення великих масштабів наростають з плином часу, тоді як збурення малих масштабів стабілізуються тиском речовини, яка виявляється сильніше тяжіння. Масштаб, починаючи з якого збурення наростають, носить назву довжини хвилі.

Згідно гарячої космологічної моделі, на ранніх етапах еволюції Всесвіту температура речовини і реліктового випромінювання була висока, вся речовина була іонізована і знаходилася в рівновазі з випромінюванням. У цю епоху тиск випромінювання ефективно стабілізував збурення і довжина хвилі була велика. В ході розширення водень рекомбінує, він стає нейтральним і перестає взаємодіяти з випромінюванням. Тиск випромінювання вже не грає ролі в стабілізації збурень. Довжина хвилі Джинса різко зменшується і визначається тепер тільки тиском речовини, яка багато менше тиску випромінювання. Починають рости збурення всіх масштабів, що збереглися до цього часу.

До моменту рекомбінації водню збурення частково загасають через вплив в’язкості і теплопровідності. В результаті після рекомбінації залишаються лише збурення досить великих масштабів. Характерна маса, що визначає область загасання збурень, грає в описуваній теорії походження галактик фундаментальну роль. Її величина визначає масу виникаючого «млинця», його температуру і дисперсію швидкостей в ньому. Маса і момент обертання галактик також залежать від цієї величини.

Поява важливої величини-маси, що визначає область загасання збурень, яка залежить лише від параметрів космологічної моделі і фізичних постійних,— великий успіх лінійної теорії гравітаційної нестійкості.

Утворення та еволюція «млинців»

Після рекомбінації водню збурення наростають. Коли вони стають досить великими, для опису їх еволюції необхідно використовувати нелінійну теорію гравітаційної нестійкості, розвинену академіком Я. Б. Зельдовичем.

Ця теорія призводить до вельми несподіваних висновків. Виявляється, в областях, де щільність висока, стиснення речовини відбувалося головним чином в одному напрямку. В результаті виникає щільне двовимірне утворення – «млинець». На кордоні «млинця» набігаючий потік речовини різко гальмується, стискається і нагрівається в ударній хвилі. «Млинець» швидко зростає, збільшуючи свою товщину і площу. Його розміри, а також маса і температура газу в «млинці» визначаються фактично двома параметрами — масштабом затухаючих на лінійній фазі розвитку збурень і середньою щільністю в момент утворення «млинця», яка пов’язана з амплітудою початкових збурень.

Будь-яка теорія походження галактик – теорія статистична. Початкові збурення випадкові, «млинці» утворюються поступово в різних точках простору і в різний час. Виниклі раніше «млинці» мають велику масу, великий розмір, в них газ сильніше стиснутий і розігрітий. Чим пізніше з’явився «млинець», тим менше його маса, щільність і температура. Спостереження вказують, що середня щільність Всесвіту, мабуть, дуже мала. Тому починаючи з деякого моменту гравітаційна взаємодія стає настільки незначною, що «млинці» взагалі перестають утворюватися.

«Млинці», розпадаючись, породжують спостережувані сьогодні скупчення, групи і окремі галактики. Центральні частини великих, рано виниклих «млинців» утворюють гігантські скупчення галактик. Дрібні «млинці» і зовнішні частини великих «млинців», що з’явилися пізніше перетворюються в галактики поля.

Незважаючи на відмінність мас і розмірів, в структурі всіх «млинців» багато спільного. Перш за все, в центральній площині «млинця» температура газу порівняно низька — не більше тисячі градусів і, відповідно, висока щільність газу. Далеко від центру, навпаки, щільність газу мала, а температура досягає мільйона градусів. Ця неоднорідність структури «млинця» з плином часу посилюється, бо більш щільний і холодний газ остигає швидше. «Млинець» розпадається на внутрішній шар з температурою близько 10 тис. градусів і зовнішній з температурою близько 1 млн. градусів.

Зовнішні частини «млинця» не встигають охолонути до сучасної епохи і, можливо, як гарячий газ входять до складу скупчень галактик. Ці уявлення узгоджуються зі спостереженнями: в деяких скупченнях галактик зареєстровано рентгенівське випромінювання гарячого газу. Внутрішні, остиглі до 10 тис. градусів частини «млинця» дробляться на окремі хмари газу і одночасно на галактики. Охолодження гарячого газу супроводжується потужним ультрафіолетовим і рентгенівським випромінюванням, яке тут же поглинається нейтральним газом навколо «млинця». Навколо «млинця» виникає зона іонізованого газу, подібна зонам, що оточують гарячі зірки. Мабуть, в цей період з’являються перші квазари, що також грають важливу роль в фотоіонізації газу.

З плином часу весь газ, що не увійшов в «млинці», іонізується їх випромінюванням. (Міжгалактичний газ здатні іонізувати і квазари, якщо середня щільність Всесвіту не надто висока.) Ймовірно, тому в спектрах далеких квазарів немає ніяких вказівок на присутність нейтрального водню між галактиками.

Обертання галактик

Довгий час вважалося, що спостережуване обертання галактик свідчить про те, що і на догалактичній стадії еволюції у Всесвіті існували вихрові рухи. Тим часом, згідно з теорією гравітаційної нестабільності, такі рухи в розширюваному Всесвіті зникають. Для пояснення обертання галактик доводиться допускати, що в догалактичну епоху вихрові рухи були дуже потужними. Але тоді неминуча відмова від космологічної моделі Фрідмана. Буде потрібно нове рішення всієї сукупності космологічних проблем і складних завдань еволюції неоднорідностей на догалактичній стадії розширення Всесвіту.

У пропонованій схемі утворення галактик подібне, на перший погляд природне пояснення обертання галактик неможливо. Всі рухи на догалактичній стадії повинні бути безвихровими. Але з гідродинаміки добре відомо, що в ударній хвилі можуть виникати вихрові складові швидкості. Таким чином, хоча поза «млинців» рух залишається безвихревим, всередині них — в стислому газі — рух вихровий. У цьому газі розвивається турбулентність, яка призводить до утворення не єдиного шару, а окремих хмар холодного газу і до перемішування гарячого газу з хмарами холодного. Шар, зайнятий хмарами холодного газу, через гравітаційну нестійкість розпадається на окремі галактики, причому їх маса і момент обертання безпосередньо пов’язані з товщиною шару хмар. Вона зростає в міру віддалення від центру «млинця».

У центральній частині «млинця» вихрові швидкості малі, тому турбулентні рухи не збільшують товщину шару холодного газу. Тут утворюються в основному еліптичні галактики великої маси, що володіють в той же час малим обертанням. Далі від центру турбулентні рухи стають потужнішими – хмари холодного газу займають більш товстий шар. У цій області виникають переважно спіральні галактики. Ще далі від центру, де вже і сам «млинець» недостатньо потужний, формуються і менш масивні зоряні системи.

Чисельні оцінки теорії узгоджуються як з спостережуваним обертанням галактик, так і з масами окремих зоряних систем. Чи не суперечить теорії і той факт, що найбільш масивні еліптичні і спіральні зоряні системи входять до складу скупчень галактик. Але не можна забувати, що теорія утворення галактик статистична. Тому серед спіральних галактик, далеко від центру «млинця», можуть зустрічатися еліптичні, а серед таких, що не входять в скупчення галактик поля можуть потрапляти і гігантські зоряні системи.

Ще один дуже цікавий наслідок пропонованої схеми: в момент формування галактик їх речовина була вельми неоднорідною. Велика частина речовини галактик була зібрана в окремі щільні хмари, що розпалися згодом на зірки. Ці хмари за своїми параметрами близькі до кульових скупчень зірок, які зазвичай розглядаються як найдавніші об’єкти нашої Галактики.

Чи можна побачити окремий «млинець»

Запропонована теорія утворення галактик не суперечить сучасним експериментам. Однак вирішальним, прямим її підтвердженням стало б, звичайно, безпосереднє спостереження «млинців». Це вимагає спеціальних складних експериментів.

Найбільш цікава можливість спостереження холодної частини «млинця» в радіовипромінюванні нейтрального водню з довжиною хвилі 21 см. Великі кутові розміри «млинця» і висока яскравість температури випромінювання дозволяють сподіватися, що цим методом «млинці» вдасться виявити. Але через космологічне розширення довжина хвилі випромінювання «млинця», що приходить до нас, зміщена, причому невідомо наскільки. Це сильно ускладнює пошуки «млинців», так як доведеться досліджувати широкий спектральний інтервал — від 40 см до 2 м.

Можна побачити окремий «млинець» і на тлі квазара. У спектрі цього квазара повинні спостерігатися потужні лінії поглинання, що належать холодному газу «млинця». Вони зміщені щодо ліній, характерних для самого квазара. Імовірність, що «млинець» проектується на квазар з великим червоним зміщенням, невелика, однак і таку можливість необхідно мати на увазі.

Сліди характерного «плоского» розташування галактик у «млинці» можуть бути виявлені при уважному вивченні розподілу галактик на небі. Так, сплющена форма місцевого надскупчення галактик, можливо, успадкована від «млинця». Це питання вимагає більш ретельного вивчення.

Пропонована теорія утворення галактик спирається на дуже серйозні припущення — ізотропію і однорідність Всесвіту, трохи початкових збурень. На перший погляд для ранніх етапів еволюції Всесвіту більш приваблива картина хаосу, в якій існують великі швидкості, значні неоднорідності щільності, гравітаційні хвилі, тощо. Але спостереження розподілу і розбігання галактик, дослідження властивостей реліктового випромінювання вказують, що Метагалактика з хорошою точністю може бути описана однорідною та ізотропною моделлю Фрідмана. Експеримент свідчить саме на користь припущень, що лежать в основі описаної вище теорії.

Широко поширена думка, ніби характерні значення параметрів галактик та їх скупчень відображають особливості неоднорідностей, що існували в догалактичну епоху еволюції Всесвіту. У пропонованій теорії, навпаки, головну роль відіграють процеси, що відбуваються в «млинцях» на нелінійній стадії розвитку збурень. Розвиток теплової та гравітаційної нестійкості в «млинці», поява і загасання потужних турбулентних рухів, статистичність початкових збурень — ось що призводить, відповідно до цієї теорії, до спостережуваної різноманітності космічних об’єктів: різних галактик, скупчень галактик, квазарів, тощо.

Теорія розробляється, проводяться великі і складні статистичні розрахунки, потрібні більш ретельні експерименти. Але і вже отримані результати переконують нас в тому, що теорія утворення та еволюції галактик може бути побудована в рамках звичайних уявлень, без порушення фундаментальних законів фізики.

Автор: А. Г. Дорошкевич.