Юлия Мизун - Мыслящая Вселенная

Откуда мы знаем о том, какие реакции проходили после Большого Взрыва и в какие периоды? Здесь ключевым является вопрос температуры первоначального вещества. Как постоянно подчеркивалось при описании реакций (процессов), основным их дирижером была температура: при определенном значении температуры одни процессы (реакции) прекращались (для них не хватало энергии частиц) и доминировали другие процессы. Кроме того, мы знаем, что же получилось в результате Большого Взрыва, то есть знаем свойства (химический состав и т. д.) сегодняшней Вселенной. Исходя из этих сведений и решалась задача теоретически, хотя и не сразу.

Так, вначале теоретики рассчитали модель холодной Вселенной. Оказалось, что эта Вселенная, состоящая первоначально из холодных нейтронов, в результате своей эволюции не может дать того, что мы наблюдаем. А модель горячей Вселенной правильно объясняет практически все свойства современной Вселенной, и прежде всего ее нынешний химический состав, который полностью противоречит модели первоначально холодной Вселенной. Реликтовое излучение полностью подтвердило правильность описанной модели первоначально горячей Вселенной.

Теперь мы можем вернуться к рассказу об эволюции Вселенной.

После того как во Вселенной образовались атомы и фотонная плазма превратилась в нейтральное вещество, состоящее из водорода и гелия, а фотоны по истечении 300-тысячелетнего плена вырвались на свободу, началось образование галактик.

Если вещество равномерно распределено в пределах шара, то под действием сил притяжения все вещество с течением времени соберется в центре шара. Если это вещество равномерно распределено в бесконечном пространстве, то оно под действием сил притяжения соберется в отдельные комки. Этот процесс называется гравитационной неустойчивостью.

Если бы это произошло с самого начала, когда вещество Вселенной имело огромную плотность, то образовавшиеся при этом комки были бы еще плотнее. Но этого на самом деле нигде во Вселенной нет. Поэтому такой вариант исключается. Средняя плотность вещества образовавшихся галактик очень невелика. Поэтому можно заключить, что они образовались уже тогда, когда вещество Вселенной было разреженным. Это и понятно, поскольку при большой плотности вещества образованию комков мешало давление реликтового излучения, как это было уже описано.

В процессе образования вещества во Вселенной большая роль отводится нейтрино. На первом этапе (в первые секунды после Взрыва) нейтрино выравнивает случайно возникающие неоднородности плотности вещества во Вселенной. Это было возможно потому, что нейтрино имели большие энергии (скорости, близкие к скорости света). Но выравнивание плотности вещества происходит только в малых пространственных масштабах (по космическим понятиям). Однако с течением времени из-за расширения Вселенной нейтрино теряют свою энергию. Примерно спустя 300 световых лет после начала расширения нейтрино, попадающие в сгущение плотности (комок), уже неспособны из него выбраться, у них не хватает для этого энергии. Больше они не препятствуют образованию неоднородностей вещества Вселенной.

После Большого Взрыва образовалось однородное вещество (состоящее из электрически заряженных частиц и фотонов), которое разбегалось во все стороны от «точки» Взрыва. Выясним, как из этого вещества образовались скопления и сверхскопления галактик и другие космические объекты.

В определенном смысле вещество во Вселенной распределено равномерно и в наше время. Это справедливо в том случае, если мы рассматриваем объемы с размером не менее 100–300 Мпк (мегапарсек). 1Мпк = 3,2106 световых лет = 3,086•1019 километров. Масса всего вещества, заключенного в таком объеме, равна массе вещества точно в таком же объеме, который размещен в любой части Вселенной. Но внутри этого объема вещество распределено неравномерно, то есть оно не является однородным. В наше время эта неоднородность очень сильная, ведь в этом объеме содержатся звезды с одной плотностью, межзвездный газ намного меньшей плотности и т. д. Но до того, как образовались космические объекты, все вещество в расширяющейся горячей Вселенной было однородным. Тем не менее оно содержало незначительные по величине нерегулярности (то есть отклонения плотности от среднего значения), которые характеризовались большими размерами. Масса вещества в каждой из таких неоднородностей плотности соответствует массе наблюдаемых космических систем (скоплениям и сверхскоплениям галактик). Эта изначальная неоднородность вещества во Вселенной возникла в результате характера Взрыва и превышала ту неоднородность, которая возникает всегда и везде в газе в результате тепловых флуктуаций. Известно, что в результате хаотического блуждания частиц газа при их тепловых движениях в некоторых областях среды плотность частиц случайно повышается, а в других — уменьшается.

Но если образовалась хотя бы самая незначительная неоднородность плотности вещества, то с течением времени она будет увеличиваться. Такое состояние является неустойчивым. Говорят, что вследствие неустойчивости неоднородность среды возрастает все больше и больше. Неустойчивости в природе вообще играют очень важную роль. В качестве примера можно напомнить о различных по своей физической природе неустойчивостях плазмы. В каждом случае неустойчивость возбуждает (и поддерживает) определенный физический процесс, связанный с действием определенной силы. В рассматриваемом здесь случае неустойчивость связана с действием силы притяжения (поэтому эта неустойчивость была названа гравитационной). Ее возникновение легко понять. Пока вещество идеально однородно и распределено в бесконечном объеме, гравитационные силы, действующие на каждую частицу и направленные в разные стороны, уравновешивают друг друга, и частица их не чувствует. Как только появилась неоднородность плотности, баланс сил нарушается и частица ощущает силу притяжения в сторону большей массы, то есть к центру неоднородности с большей плотностью, то есть с большей массой. Другими словами, частицы данной неоднородности (данного уплотнения) будут падать к ее центру, то есть будут еще больше уплотняться. Так уплотнение данной неоднородности будет расти. Но до каких пор? Что может остановить этот процесс? Уплотнение растет до тех пор, пока не будет остановлено давлением, сила которого направлена наружу, то есть противоположно сжимающей силе гравитации. Собственно, по этой причине мы не можем сжать газ до объема меньше определенной величины. Но кроме силы гравитации и давления на вещество данной неоднородности (как и на все вещество Вселенной) действует сила, обусловленная расширением вещества Вселенной. Эта сила разбрасывает частицы вещества, то есть заставляет их разбегаться, при этом объем, занятый веществом данной массы, увеличивается, а плотность вещества падает. Если мы имеем дело с неоднородностью, в которой вещество уплотнено по сравнению со средней величиной, то силе, связанной с расширением, противодействует сила гравитационного сжатия. При определенных условиях (это определяется плотностью среды и ее давлением, которые, в свою очередь, связаны с массой и размерами данной неоднородности, поскольку сила тяготения тем больше, чем больше масса, а значит, и размеры неоднородности) все действующие на частицы данной неоднородности силы (расширения, гравитации и давления) уравновешиваются: данная неоднородность (сгусток) больше не расширяется и не сжимается. Радиус сферы, на границах которой выполняется это условие, называется радиусом Джинса. Американский астрофизик Дж. Джинс в начале нашего века развил идею Ньютона о том, что первоначально однородное вещество (газ), распределенное в бесконечном пространстве, обязательно под действием силы гравитации соберется в комки, сгустки. Джинс учел действие давления и ввел понятие критического радиуса, который и был назван его именем. Правда, в это время еще не было известно, что Вселенная расширяется. Фридман установил это теоретически позднее, а модель горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основании экспериментальных данных, была создана Г.А. Га-мовым в 1940-е годы. Поэтому Джинс не мог рассматривать силу, связанную с расширением Вселенной. В его радиус входили только две силы: гравитации и давления. Тем не менее теория гравитационной неустойчивости Джинса является основополагающей в космологии. В 1946 году Е.М. Лифшиц развил ее на основе космологии Фридмана. Реликтовое излучение, предсказанное Г.А. Гамо-вым, было открыто в 1965 году А. Пензиасом и Р. Вильсоном. Оно органически вписалось в теорию гравитационной неустойчивости Лифшица, которая в настоящее время общепризнана.