Галактики

Именно эта мысль гениального Ньютона является одним из краеугольных камней современных теорий образования крупномасштабных структур вселенной.

Второе важное обстоятельство, которое мы должны принять во внимание: так называемые малые возмущения, флуктуации - небольшие отклонения от однородности и изотропии.

Постараемся понять физический смысл роста начальных флуктуаций плотности, но прои

схождение флуктуаций, из которых в конце концов возникает галактика, остается 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.

В такой среде действует лишь одна сила - тяготение. Ведь в этой среде нет ни перепадов давления, ни потоков, ни каких-либо других неоднородных веществ. 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 измельченной 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 возникает 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 недоумение. 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 "дешенсовой массы" и "дешенсова размера" (в честь Д. Дешенса - знаменитого английского астронома, занимавшегося вопросом гравитационной неустойчивости). Дешенсовая длина - это критический размер участка нашей среды, при котором сила тяготения сравнима с перепадом давления в объеме этого участка.

Дешенсова масса - это масса участка, обладающего критическим размером.

Что дает нам понятия критической длинны и массы? Флуктуация - это такое образование, которое обязано или жить и развиваться, или в конце концов исчезнуть. Статической 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 Дешенсовая длина прямо пропорциональна плотности среды.

Если размеры сгущения меньше критической длины Дешенса, то сила давления преобладает над гравитационной, и сгущение начинает расширяться. Если же размеры превышают критическую длину Дешенса, то плотность сгущений будет расти.

Качественная картина возникновения и роста сгущений справедлива лишь для бесконечной, однородной среды. Над этим работал академик Е. Лифшиц. Теория, развитая Е. Лифшицем, позволяет аккуратно и точно рассчитывать временную эволюцию сгущений и их начальную величину. Мы уже говорили о процессах конденсации влаги в атмосфере. В них велика роль флуктуации плотности. Эти флуктуации возникают из-за случайного повышения плотности воздуха в силу хаотического давления молекул газовой среды. Не представляет особенной сложности оценить величину чисто тепловой флуктуации плотности, в системе N частиц. Это может быть атмосфера, Район Вселенной, содержащий число частиц, соответствующий числу частиц в нашей Галактике (около 1068). Поскольку для любой термодинамической системы относительное значение флуктуации плотности равно 1/SQR (N), то для N=1068 относительная величина теплового возмущения плотности равна 10-34. Относительная величина возмущения плотности определяется как (Pф - Рс) /Pс, где Pф - плотность в районе возмущения, а Pc - средняя плотность 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. Казалось бы, очень маленькая величина, но она на 17 порядков превышает значение чисто тепловых флуктуаций. Именно вопрос о том, какие процессы в ранней Вселенной могли привести к появлению флуктуаций требуемой величины, мучают теоретиков уже многие годы.

Число нерешенных проблем в этой области как туман закрывают от нас таинственное происхождение галактик.

А вопрос этот принципиальный. Ведь наблюдательные данные свидетельствуют о том, что в необозримых просторах Вселенной галактики образуют огромные космические соты - сверхскоростные, окружающие гигантские "черные области" - пустоты.

Расчеты показывают, что сжатие вещества будет анизотропным. Объем может меняться от формы куба до пластины. Такую пластину назвали "блином". Первоначально изолированные друг от друга плоские "блины" очень скоро вырастают в плоские слои. Эти слои перемещаются, и в процессе их взаимодействия образуется ячеисто - сетчатая структура, где стенками пустот служат блины. Отдельные блины представляют собой сверхскопление галактик, имеющее уплощенную форму. Существуют и другие подходы к проблеме структурирования.

Теория блинов оперирует лишь со сверхструктурой Вселенной, не отвечая на вопрос о происхождении более мелких образований - галактик. Для решения этого вопроса вернемся к массе Дешенса.

Тщательный анализ эволюции возмущений плотности различных типов в нашей Вселенной показывает, что ко времени рекомбинации остается два выделенных масштаба масс: 106 и1012 солнечных масс. Массы шаровых скоплений составляют около миллиона солнечных масс, а массы наиболее массивных галактик и небольших скоплений приближаются к величине 1012 масс Солнца.

Безусловно, этот факт заслуживает внимания. Появилась очередная гипотеза, согласно которой из первичных возмущений с массой 105 - 106 масс Солнца возникло "все" - и шаровые скопления, и галактики, и скопления галактик. В этой теории существенно то обстоятельство, что масса исходного сгустка, сравнима с массой Дешенса. Поэтому, силы давления также сравнимы с силами гравитации.

Свойства галактик

Сегодня нам хорошо известно, что эллиптические образования во Вселенной не туманности, а звездные системы. Вопрос эволюции уже образовавшихся звездных систем - галактик, заставляет нас обратить внимание и на их вращение, взаимодействие друг с другом, причин морфологических различий и т.д.

Одним из достаточно сложных и интересных вопросов является проблема очень широкого диапазона масс галактик. Для объяснения этой проблемы можно предположить, что определенную роль в образовании галактик играла не только газовая орлагментация, но и слияние первичных галактик.

 Скачать реферат