2
Структура Вселенной на больших масштабах.
Если второй вселенной мешает расширение нашей, замедляется, то плотность
r
- в ней сохраняется на более высоком уровне, как и температура. Тогда решают изучить гравитационную неустойчивость в системе, состоящей из двух взаимно притягивающихся, но взаимно отталкивающихся популяций.
Согласно теории, наиболее плотная из них реагирует быстрее и более сильно. Именно она, в результате гравитационной неустойчивости, даст конгломераты «призрачной» материи.
Что такое гравитационная неустойчивость, впервые изученная сэром Джеймсом Джинсом, уже упомянутым ранее?
Рассмотрим среду, обладающую плотностью r, где элементы движутся с определённой скоростью теплового движения Vth, и поставим перед собой задачу изучить рост или затухание возможных возмущений плотности. Предположим, что где-то образовалась избыточная плотность диаметром
f
.
Тепловое движение стремится естественным образом рассеять это возмущение. За какое время? Примерно за время порядка
Это время, за которое атом проходит расстояние
f
, то есть также время, за которое этот комок увеличит свой диаметр вдвое.
Представим, что скорость теплового движения равна нулю. Эти атомы притягиваются. Этот комок будет склонен к самоуничтожению. Мы можем вычислить время, за которое он сожмётся. На самом деле "пылевое облако", сжимающееся само на себя, напоминает Большой взрыв, но в обратном порядке:
Теперь сравним эти два времени.
Произойдёт конденсация возмущения, если время аккреции меньше времени саморассеяния под действием теплового движения.
Возмущения диаметром больше характерной длины, называемой длиной Джинса Lj, будут усиливаться и дадут конденсаты, конгломераты материи (клумпы).
Когда такой "комок" материи образуется, материя сжимается, нагревается. Силы давления возрастают и в конечном итоге останавливают процесс.
Это называется
гравитационная неустойчивость
или
неустойчивость Джинса.
Если говорить о стандартной модели, можно было бы подумать:
- Отлично. После Большого взрыва Вселенная, расширяясь, охлаждается, и реализация гравитационной неустойчивости позволит мне построить сценарий рождения галактик и звёзд.
Если бы всё было так просто, это уже было бы сделано. На самом деле у нас нет ни одной модели формирования галактик. Некоторые считают, что сначала формировались скопления звёзд, затем галактики, а потом звёзды. Другие утверждают обратное.
Кроме того, всё это происходит в ещё сильно расширяющейся Вселенной. Обнаружение галактик с очень большим красным смещением показывает, что речь идёт об очень древних объектах (что подтверждается возрастом самых старых звёзд в галактике). Теоретически мы не можем объяснить всё это.
Но мы знаем две вещи:
1: Гравитационная неустойчивость не может проявить себя, пока газ материи остаётся сильно связан с "газом фотонов", пока Вселенная остаётся ионизированной. Дело в том, что фотоны взаимодействуют с свободными электронами (вышедшими из атомов) сильнее, чем с электронами, вращающимися вокруг ядер.
Фотоны, по-своему, образуют "газ". При расширении этот газ разрежается, как и материя, и обладает собственным давлением, называемым
давлением излучения.
Когда материя и фотоны сильно связаны, когда масса ионизированного газа начинает сжиматься, она увлекает за собой газ фотонов.
- Но фотоны движутся со скоростью света! Как может конечная масса газа "запереть" фотоны?
Запереть, имеется в виду. В этой массе газа фотоны постоянно поглощаются и испускаются. В результате этих процессов поглощения-испускания фотоны очень медленно покидают эту газовую массу. Именно в этом смысле они остаются "запертыми" (и то же самое происходит с фотонами, испускаемыми в центре Солнца, которые медленно и с трудом проходят к его поверхности).
Когда Вселенной меньше 500 000 лет, излучение оказывается запертым в массах ионизированного газа, которые имели склонность к образованию комков, а давление излучения всё ещё слишком велико, чтобы позволить конденсации.
Вывод: однородность Вселенной, или почти однородность до t = 500 000 лет, согласно стандартной модели. Если что-то происходит, то только после этого.
2: Существуют звёзды, собранные в галактики, которые сами по себе образуют крупномасштабную структуру. Некоторые галактики объединяются в скопления (скопление Кома, скопление Волосы Вероники) из тысячи объектов. Сначала полагали, что этот процесс продолжится на более высоких масштабах и появилась идея существования суперскоплений, скоплений скоплений.
Наблюдения показали нечто совершенно иное. На самом деле галактики распределены так, что можно назвать это "связанными мыльными пузырями". Скопления галактик — это лишь "узлы" такой структуры. Ниже — результат обработки наблюдений (1977).
Таким образом, галактики распределены на очень больших масштабах (Very Large Structure) вокруг крупных пустот, диаметр которых характерен порядка сотен миллионов световых лет.
Другой подход: исследователи пытались воссоздать такие структуры, исходя из однородного распределения материи (разумеется, в одной Вселенной). Первоначальная теория была теорией роста плоских возмущений, в виде "блинчиков" (так называемые "панкейки" Зельдовича). Однако результаты оказались разочаровывающими. Компьютерные модели действительно давали некоторые ячейки, но они быстро рассеивались из-за теплового движения. В настоящее время нет убедительной теории формирования таких структур. По крайней мере, можно обеспечить их относительную устойчивость, "укрепив" их "холодной тёмной материей".
Существует геометрическое объяснение такого распределения точечных масс: обычная материя отталкивается от конгломератов призрачной материи, что уже показано выше.
Рассмотрим поверхность, соответствующую ткани, натянутой на штыри палатки, с закруглёнными концами. Отметим, что чем более закругленными будут концы наших штырей, тем больше будет пространство, занимаемое призрачным комком. В противоположном случае, если штыри более острые, комок будет меньше. В пределе бесконечно острых штырей соответствуют области положительной кривизны: точкам с концентрированной положительной кривизной.
Вот другой модель, который будет соответствовать следующему разделу.
Предыдущая страница
Следующая страница
Оглавление этого раздела
Оглавление науки
Вернуться к Новинкам
Количество просмотров этой страницы с 13 июня 2005 года