Главная Фотогалерея Рефераты Новости Видеогалерея Статьи  
 
 
Содержание
 
   

Галактика, происхождение галактик

             Что же из себя представляет происхождение галактик? Еще раз вернемся к тому моменту, когда температура расширяющейся Вселенной упала до 4000 К. После Большого Взрыва прошло около миллиона лет. В это время в нашем остывающем мире произошли существенные перемены. Для нас сейчас особенно важно то обстоятельство, что Вселенная стала прозрачна для излучения. Произошло это по той причине, что электроны объединились в атомы с протонами и перестали участвовать в рассеянии фотонов. Излучение отделилось от вещества, и поэтому Вселенная стала для нас наблюдаемой.
       Что это значит? Астрономия стала всеволновой. Наблюдения проводятся сейчас в широком диапазоне электромагнитных колебаний - от радиоизлучения до гамма-лучей. Естественно, чем дальше от нас находится объект, тем в более раннюю эпоху видит его астроном-наблюдатель. Свет от далеких галактик идет до Земли миллиарды лет, и мы видим эти галактики такими, какими они были миллиарды лет назад.
     Ситуация здесь напоминает почтовые отправления. Распечатывая конверт и читая письмо, мы узнаем лишь о тех событиях, которые произошли до момента написания письма. В астрономии роль писем взяли на себя кванты электромагнитного излучения. Но расстояния между адресатами огромны, и поэтому мы в принципе не можем знать, что происходит с далекими объектами в данный момент времени. Ведь скорость передачи любой информации ограничена значением скорости распространения света.

 

 

Группа из пяти взаимодействующих галактик

 

 

Группа из пяти взаимодействующих галактик.

 

Галактика М 81


Галактика М 81.

 

Сталкивающиеся галактики

Сталкивающиеся галактики

     Реликтовый фон дает сведения об эпохе отделения излучения от вещества, так как именно в это время электромагнитные колебания получили возможность свободно распространяться. Попытки наблюдений более ранней Вселенной напоминали бы попытки разглядеть что-либо в плотном тумане. Здесь речь идет, разумеется, о наблюдениях с помощью электромагнитных волн. Развитие нейтринной астрономии, безусловно, поможет заглянуть в более отдаленное прошлое нашего мира. Но на сегодня эта возможность отсутствует.
     Что же говорит нам реликтовый фон об эпохе отделения излучения от вещества? Основной результат наблюдений состоит в том, что фоновое излучение однородно. В каком бы участке неба мы ни производили измерение свойств реликтового излучения, результат будет один и тот же. Но это означает, что и вещество в эпоху отделения было также очень однородным. А тогда мы снова сталкиваемся с противоречием между изначальной однородностью Вселенной и грандиозным разнообразием ее структуры. Где же выход?
     Здесь уместно вспомнить о пророческой идее Ньютона, высказанной около 300 лет тому назад в письме к ректору Тринити колледжа в Кембридже Р. Бантли. Ньютон писал: «Но если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, оно никогда не собралось бы в единую массу. Часть его могла бы собраться в одну массу, а часть - в другую, так что образовалось бы бесконечное число больших масс, разбросанных по бесконечному пространству на огромных расстояниях друг от друга».
  Именно эта мысль гениального Ньютона является одним из краеугольных камней современных теорий происхождение галактик.
      Второе важное обстоятельство, которое мы с вами обязательно должны принять во внимание: так называемые малые возмущения, флуктуации - небольшие отклонения от однородности и изотропии.
     Действительно, одной лишь силы гравитации в бесконечной однородной среде недостаточно для ее структурирования. Необходимо наличие неких «затравок». Здесь напрашивается аналогия с образованием облаков в атмосфере. Хорошо известно, что водяной пар начинает конденсироваться на крохотных частичках, называемых ядрами конденсации. Этими ядрами могут быть, например, крупинки поваренной соли или сажи. Но и в том случае, если бы атмосфера не содержала этих ядер, процессам конденсации благоприятствовали бы незначительные флуктуации плотности, которые всегда имеют место в реальной атмосфере.
     Конечно же, разница между ранней Вселенной и атмосферой, между звёздными галактиками и тучами велика. Тем не менее и в том, и в другом случае необходимы затравочные флуктуации. Для решения вопроса об эволюции этих флуктуации необходимо учитывать их начальные размеры и, конечно же, тот факт, что флуктуации возникают в расширяющейся Вселенной. Дело в том, что статическая Вселенная была бы крайне неустойчива по отношению к локальному сжатию или расширению.
       Постараемся понять физический смысл роста начальных флуктуации плотности, запомнив при этом довольно печальную для любой теории вещь: появление флуктуации, из которых в конце концов начинается происхождение галактик, остается на сегодняшний день загадкой. Попробуем более подробно рассмотреть, какие процессы могут происходить в изначально полностью однородной и изотропной среде. Вообще говоря, такая среда не может быть устойчивой, поскольку в ней действуют различные силы. Какие же?
       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.
     Если же размеры превышают критическую длину Джинса, то плотность сгущения будет расти, причем размеры таких сгущений определяются величиной начальных малых флуктуации 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, по скольку 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 флуктуации плотности. Они носят чисто тепловой характер. Эти флуктуации возникают из-за случайного повышения плотности воздуха в силу хаотического движения молекул газовой среды. Кстати говоря, Джине 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 для N=1068 относительная величина теплового возмущения плотности равна 10-34.
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 флуктуации. И именно вопрос о том, какие процессы в ранней Вселенной могли привести к появлению флуктуации 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.
         Нынешнее время в теории происхождения галактик - эпоха поиска; окончательной, завершенной картины нет, есть только наброски. Но и по этим наброскам мы вправе попытаться представить себе общий ход событий, помня, разумеется, что наши сценарии будут в значительной мере предварительными. Ведь даже вопрос о том, с каких происхождений галактик  - крупных или небольших - началось структурирование мира, решается разными учеными совершенно по-разному.
А вопрос этот принципиальный. Ведь наблюдательные данные достаточно убедительно свидетельствуют о том, что в необозримых просторах Вселенной галактики образуют огромные космические соты - сверх скопления, окружающие гигантские «черные области» - пустоты.
       Происхождение галактик и их структур требует наличия очень больших начальных изолированных масс: 1015- 1016 М.0. Эти массы под действием гравитации начинают сжиматься, причем происходит это весьма своеобразно. Сжатие первоначального объекта начинается в эпоху отделения излучения от вещества (когда излучение перестает взаимодействовать с веществом). Исчезновение давления излучения приводит к развитию гравитационной неустойчивости, которая «подтягивает» вещество к области повышенной плотности.
       Расчеты показывают, что сжатие вещества будет анизотропным. Если, к примеру, сначала исходный объект имел форму куба, то впоследствии он сожмется в пластинку. Такую пластину авторы модели назвали «блином».
     Первоначально изолированные друг от друга плоские «блины» очень скоро вырастают в плотные слои. Эти слои пересекаются, и наконец в процессе их взаимодействия образуется ячеисто-сетчатая структура, где стенками огромных пустот служат блины. Отдельный блин представляет собой сверх скопление галактик, имеющее уплощенную форму.
       «Блинная» модель, или, точнее сказать, теория, не свободна от недостатков. Она находится в противоречии с данными наблюдательной астрономии. Ведь исходные возмущения должны быть по этой теории столь велики, что современные способы оценки флуктуации реликтового фона обязаны были бы зарегистрировать соответствующие отклонения в температуре. Однако этого не случилось. И поэтому для спасения блинной теории необходимо предположить, что плотность Вселенной была выше, чем думали ранее.
       На роль спасителей теории блинов претендуют сейчас нейтрино, поскольку, как мы знаем, есть указания на то, что их масса покоя не равна нулю, или какие-то пока наблюдаемые частицы. С учетом массивных нейтрино теория блинов совмещается с наблюдениями реликтового излучения. Авторы теории надеются к концу XX века завершить построение общей теории.
     Существуют, однако, и другие подходы к проблеме структурирования. Теория блинов оперирует лишь со сверхструктурой Вселенной, не отвечая на вопрос о происхождении более мелких образований - галактик. А ведь нас в первую очередь интересует именно это. Для решения этого вопроса придется снова вернуться к массе Джинса.
       Тщательный анализ эволюции возмущений плотности различных типов в ранней Вселенной показывает, что ко времени рекомбинации остается два выделенных масштаба масс: 106 и 1012 солнечных масс. Случайно ли то обстоятельство, что массы шаровых скоплений составляют около миллиона солнечных масс, а массы наиболее массивных галактик и небольших скоплений приближаются, в свою очередь, к величине 1012 М. Безусловно, этот факт заслуживает внимание. Соответственно, появилась очередная космогоническая гипотеза, согласно которой из первичных возмущений с массой 105- 106 М возникло «все» - и шаровые скопления, и галактики, и скопления галактик. В этой теории существенно то обстоятельство, что масса исходного сгустка сравнима с массой Джинса. Поэтому силы давления также сравнимы с силами гравитации. 

 

Гигантская галактика

Гигантская галактика.

     Процесс сжатия здесь отличается от случая, когда гравитация полностью преобладает над давлением. Сжатие такого сгустка не может привести к образованию блина, так как давление сглаживает любую анизотропию. Поэтому первичные объекты, образовавшиеся в результате сжатия сгустков вещества с массой 105 солнечных масс, сферически симметричны. Они сразу фрагментируют на звезды, образуя шаровое скопление. Затем отдельные шаровые скопления при взаимодействии друг с другом собираются в галактики, а галактики, в свою очередь, образуют скопления.
     Все это многообразие трудностей и нерешенных вопросов требует развития новых методов наблюдений. Более тридцати лет назад, выступая на Дарвиновских чтениях, Э. Хаббл сказал: «Что касается будущего, то можно проникнуть в пространство еще глубже, проследить красное смещение еще дальше назад во времени, но мы уже вступили в область уменьшения отдачи: инструменты будут стоить все дороже и дороже, а достижения возрастать все медленнее и медленнее... Но, возможно, позднее, когда военные ассигнования можно будет передать ученым, более счастливое поколение сможет возобновить наступление на пространство.
     Из нашего дома на Земле мы вглядываемся в даль, стараясь представить себе, каков мир, в котором мы были рождены. Сегодня мы уже далеко проникли в космическое пространство. Но чем больше расстояния, тем меньше мы знаем, и пока на едва различимой линии горизонта, среди едва уловимых ошибок наблюдений
  мы отыскиваем вряд ли более заметные, чем эти ошибки, «межевые столбы». Но эти поиски будут продолжаться. Стремление к познанию старше истории. Оно безгранично и неодолимо». Слова о теорияз происхождения галактик не потеряли своей актуальности и сегодня. 


   
Поиск
Rambler's Top100