Антон Первушин - Космос. Прошлое, настоящее, будущее

Детали формирования галактик неизвестны, но теорий много. Уже ясно, что темная материя играет решающую роль в появлении гравитационных центров, вокруг которых обычное вещество конденсируется в галактики, но детали этого процесса зависят от температуры темной материи, а она еще неизвестна. Холодная темная материя облегчает формирование галактик, в то время как при высокой температуре темной материи формирование обособленных структур из-за быстрого движения частиц затруднено.

Основная идея теорий формирования галактик состоит в том, что первые облака, обособившиеся во время расширения Вселенной, были облаками темной материи с некоторым количеством нейтрального водорода и гелия. Когда в дальнейшем под действием собственной гравитации эти облака сжимались, темная материя и обычное вещество должны были разделиться, так как обычное вещество может терять энергию (в основном на излучение) и поэтому способно сжиматься значительно сильнее, чем темная материя, которая, по-видимому, сжимается адиабатически, т. е. без потери энергии, поскольку не сталкивается с обычным веществом и не может излучать электромагнитные кванты.

Происходит это так. В процессе гравитационного коллапса атомы водорода сближаются и начинают чаще сталкиваться. Газ разогревается и начинает сбрасывать тепло в виде инфракрасного излучения, позволяя коллапсу продолжаться. Темная материя ведет себя иначе: при сжатии она тоже разогревается, но не способна охлаждаться путем излучения. Поэтому давление в ней быстро нарастает и сжатие останавливается. Темная материя должна остаться в протяженном гало галактики, как раз там, где она и обнаружена. Из-за потери энергии в среде водорода и гелия увеличивается плотность вещества в центральной части протогалактики и образуются газовые облака. При столкновении двух облаков газ сжимается в ударном фронте, и это запускает процесс звездообразования. Как только появляется излучение первой звезды, говорят, что протогалактика стала первобытной галактикой.

Согласно одной из теорий, только что рожденные галактики были небольшими, возможно, не больше шаровых скоплений, и располагались вдоль филаментов (линейных уплотнений), пронизывающих молодую Вселенную как паутина. Двигаясь по случайным направлениям, эти молодые звездные системы могли сближаться и сливаться, объединяясь друг с другом. Многократный повтор этого процесса приводил к образованию галактик все большего и большего размера. Спустя миллиарды лет вместо филаментов (цепочек) галактик появились скопления галактик, соединенных перемычками – остатками исходных филаментов. Эта теория филаментного формирования галактик получила в 2001 году поддержку благодаря наблюдениям Очень большого телескопа (VLT), выявившим ряд плотных водородных образований в ранней Вселенной, которые светятся под действием излучения горячих молодых звезд, находящихся внутри них. Вероятно, эти образования являются филаментами, заполненными формирующимися галактиками.

До сих пор мы говорили о задачах астрофизики, решению которых способствует накопление наблюдательных фактов. Используя эти факты, астрофизики строят модели, сценарии, теории, объясняющие уже известный массив наблюдений и предсказывающий новые явления. Обычно для моментальной проверки этих прогнозов чего-то не хватает: мощности существующих телескопов, наблюдательного времени на лучших из них и т. п. Но со временем такая возможность появляется, и теоретические построения либо подтверждаются, либо отбрасываются как неверные. Но есть одна задача, над решением которой трудятся многие теоретики, но пока не видно какой-либо возможности проверить их построения. Речь идет о проблеме рождения Вселенной.

Вообще говоря, космология как наука о Вселенной в целом развивается стремительно и уже вышла на уровень точного знания, когда дискуссии идут о глобальных характеристиках нашего мира, измеренных с точностью до второго-третьего знака после запятой. Но когда речь заходит о первом мгновении существования нашего мира, то не ясно даже, было ли оно, это мгновение, вообще. Не исключено, что наблюдаемое ныне расширение Вселенной началось после предшествовавшей стадии сжатия, хотя такую точку зрения поддерживают немногие. Преобладающее мнение состоит в том, что вопрос «что было до начала расширения?» не имеет смысла, по крайней мере в рамках современной физики. Наука сегодня пытается объяснить, что было непосредственно после начала расширения и под действием каких сил окружающий мир приобрел его глобальные свойства. На эти вопросы убедительнее других отвечает сегодня теория инфляции, она же – инфляционная космология. По сути, это модификация стандартной космологической модели Большого взрыва, предполагающая, что на самом раннем этапе своей эволюции (10 -43–10 -37с) Вселенная претерпела колоссальное расширение, которое привело к экспоненциальному росту всех масштабов. Это предположение позволяет разрешить некоторые парадоксы классической космологии: почему Вселенная плоская (т. е. ее пространство евклидово), почему в больших масштабах она однородна и изотропна, почему в ней все же были малые неоднородности, приведшие к рождению галактик, и т. п.

Причиной стремительного расширения мира был инфлатон (он же инфлантон или инфлятон) – гипотетическое скалярное поле, существование которого предполагается в теории инфляции. Подчеркнем: именно гипотетическое, никаким образом сегодня себя не проявляющее. Считается, что в первые мгновения эволюции Вселенной фазовый переход инфлатона в состояние с более низкой потенциальной энергией вызвал ускоренное «раздувание» (инфляцию) пространства, а также рождение вещества и энергии. Если такое поле с его удивительными свойствами (например антигравитацией) действительно существует или существовало в ту далекую эпоху, то с точки зрения современной физики тут все в порядке. Однако наблюдательная проверка теории инфляции пока представляется чрезвычайно сложной и выходящей за рамки нашего рассказа об астрофизике.

Читая книги об астрономии, написанные 100–150 лет назад, я удивляюсь наивности научных представлений тех лет и восхищаюсь тому, как, работая с примитивными приборами, мои предшественники смогли хоть что-то узнать о Вселенной. Пройдет еще век-другой, мои ученики и их ученики-астрофизики, вооруженные такими приборами, о которых мы не мечтаем сегодня, узнают о Вселенной столько нового, что наши представления покажутся им наивными, что большинство наших проблем будут ими давно решены, а перед ними встанут такие, о которых мы даже не догадываемся сегодня. И так будет всегда, ибо любознательность – главное достоинство человека.