Книга: Черные дыры и вселенная

Происхождение галактик

Вернемся к вопросу о происхождении структуры Вселенной, В начале ее расширения вещество представляло собой почти однородную расширяющуюся горячую плазму. Почему же эта однородная плазма на некотором этапе распалась на комки, которые развились в небесные тела и их системы? Как появились зачатки скоплений галактик?

Согласно мнению большинства специалистов подобный процесс происходит из-за гравитационной неустойчивости: маленькие случайные начальные уплотнения вещества своим тяготением стягивают вещество и за счет этого усиливаются — сгущаются и разрастаются. Эти сгустки вещества при определенных условиях могут вырасти в большие комки, дающие начало скоплениям галактик. Основы теории, описывающей этот процесс, были сформулированы еще в 1946 году советским физиком, ныне академиком Е. Лифшицем.

Теперь мы можем считать, что во Вселенной тяготение нейтрино оказывается важнейшим фактором, и именно это тяготение надо прежде всего учитывать при анализе роста неоднородностей вещества под действием гравитационной неустойчивости.

Общая картина роста неоднородностей представляется следующей. В самые первые мгновения после начала расширения Вселенной были случайные, очень маленькие неоднородности в распределении плотности материи в пространстве. Мы знаем, что спустя всего одну секунду после начала расширения плотность вещества уже недостаточно велика, чтобы препятствовать свободному полету сквозь него нейтрино всех сортов. Нейтрино в этот период имеют еще очень большую энергию и летят со скоростью, очень близкой к скорости света. При этом, естественно, идет выравнивание неоднородностей, создается более равномерное распределение нейтрино. Однако происходит это только в малых пространственных масштабах в районах, сравнительно малых по линейным размерам нейтринных сгущений.

Действительно, из сравнительно мелких сгущений нейтрино успевают вылететь и перемешаться с другими нейтрино достаточно быстро, усредняя, сглаживая все неоднородности. И чем больше проходит времени, тем больше (по линейному размеру) неоднородности нейтрино успевают «рассосаться». Так будет продолжаться до тех пор, пока нейтрино, теряющие энергию вследствие расширения Вселенной, не станут двигаться со скоростью заметно меньшей, чем скорость света. Расчеты показывают, что примерно через 300 лет после начала расширения скорость нейтрино упадет настолько, что они уже не будут успевать вылетать из комков большого размера. И такие комки, плотность в которых сначала лишь немного превышает среднюю, могут усиливаться тяготением, сгущаться и расти, пока среда не распадется на отдельные сжимающиеся облака из нейтрино.

Можно подсчитать, какой будет масса таких нейтринных облаков. Поскольку главным образом только первые 300 лет происходило выравнивание плотности и нейтрино двигались с околосветовой скоростью, мы приходим к выводу, что выравнивание успело произойти в участках с размерами, не превышающими 300 световых лет. В больших масштабах, в нейтринных сгустках большего размера, повышенная плотность нейтрино сохранялась, ибо нейтрино не успело из них вылететь. Затем скорость движения нейтрино резко падала, взаимное их тяготение приводило к увеличению повышенной плотности, и эти сгущения дали начало нейтринным облакам. Следовательно, масса этих облаков определится количеством нейтрино, находившихся в сфере радиусом 300 световых лет через 300 лет после начала расширения Вселенной.

Расчет показывает, что типичная масса такого нейтринного облака выражается только через фундаментальные константы природы: h — постоянную Планка, с — скорость света, G — постоянную тяготения и m — массу покоя нейтрино. Первые три константы известны, и если принять, что масса покоя нейтрино действительно равна 35 эВ = 6 · 10^–32 грамма, то окажется, что масса типичного нейтринного облака составляет примерно 10¹⁵ солнечных масс.

Так обстоит дело с массой нейтринных облаков. А какова будет их форма? Еще 10 лет назад Я. Зельдович показал, что в такого рода процессах возникающие облака должны быть очень сильно сплюснуты, что по форме они должны быть похожи на блины. Соединение множества таких «блинов», хаотично расположившихся в пространстве, даст в совокупности картину гигантских невидимых нейтринных сот.

Итак, к нашему времени в пространстве должна возникнуть ячеистая структура невидимых нейтринных облаков. А что же обычное вещество? В какие пространственные структуры соберется оно?

В начале расширения обычное вещество (это все вещество Вселенной, кроме нейтрино) тоже было распределено в пространстве почти равномерно. Масса этого обычного вещества, как мы знаем (или, точнее, как мы сейчас имеем основание считать), во много раз меньше суммарной массы нейтрино, и в начальной стадии расширения Вселенной это вещество находилось в виде горячей плазмы.

Но, как мы видели в предыдущей главе, по прошествии трехсот тысяч лет после начала расширения обычное вещество настолько охлаждается, что из состояния плазмы превращается в нейтральный газ, давление которого резко падает, — это происходит спустя миллион лет после начала расширения. Затем холодный нейтральный газ начинает сгущаться в поле тяготения возникающих нейтринных облаков, стягиваясь к их центральной части. И именно из этого сгущающегося нейтрального газа постепенно возникают скопления галактик, галактики и звезды. Так как обычного вещества по массе в 30 раз меньше, чем нейтрино, то в невидимом нейтринном «блине» с массой в 10¹⁵ солнечных масс образуется большое скопление галактик, масса которого в 30 раз меньше, то есть составляет 3 · 10¹³ солнечных масс.

Полученные наблюдательной астрономией данные о массах и форме больших скоплений галактик хорошо согласуются с данными, полученными из подобных теоретических построений.