ОТ КОСМОЛОГИИ К КОСМОГОНИИ ГАЛАКТИК

Итак, в больших масштабах Метагалактику можно считать однородной и изотропной и на этой основе построить теорию, не противоречащую наблюдениям. Однако не мешает все-таки вспомнить, что в мире, к счастью, есть неоднородности в виде систем галактик и звезд. Как они могли возникнуть в однородной и изотропной, да еще расширяющейся среде? Подобный вопрос относится, строго говоря, к компетенции космогонии галактик и звезд, а в последней общая теория относительности играет далеко не главную роль. Но вместе с тем космогония галактик является еще одним косвенным способом проверки правильности космологических построений, основанных на ОТО. Согласитесь, что космологическая теория не многого стоила бы, если бы она закрывала путь к решению вопроса о происхождении мира галактик и звезд, в котором мы живем.

Реальный мир, наша астрономическая Вселенная существует в одном экземпляре. Другие вселенные нам не­известны, хотя, как мы увидим дальше, вообще говоря, можно предположить, что есть и они. Ситуация здесь принципиально отличается от сложившейся в планетной космогонии,  где  есть  вполне  основательная надежда когда-нибудь открыть и исследовать закономерности пла­нетных систем хотя бы у не очень далеких звезд.

Поэтому, как бы ни были привлекательны различные модели Все­ленной, из них приходится выбирать ту, которая лучше всего описывает свойства нашей Вселенной.

В малых масштабах современная Метагалактика, ко­нечно, неоднородна. Но, может быть, малые отклонения от однородности были и на ранних стадиях ее существо­вания? Дать положительный ответ на этот вопрос позво­лил результат, полученный сравнительно недавно извест­ным советским физиком  членом-корреспондентом   АН СССР Е. М. Лифшицем, который, основываясь на ОТО, рассмотрел вопрос о судьбе малых возмущений в одно­родной среде. Оказывается, неоднородности, возникшие в гравитационно неустойчивой среде, с течением времени растут. Скорость их роста обусловлена свойствами среды, и в частности, зависит от соотношения в ней вещества и излучения. Так, если в некотором объеме среды с плот­ностью ρ произошло увеличение плотности на величину δρ, то закон изменения относительного избытка плотности δρ / ρ в среде, где преобладает вещество, δρ / ρ oo t^(2/3) а в эру преобладания радиации δρ / ρ oo t.

Постепенно воз­никшее возмущение увеличивается в объеме, расширяется, однако это происходит медленнее космологического рас­ширения окружающей среды. Соответственно и метрика вблизи зародышевых неоднороднее и внутри отличается от метрики окружающего пространства. Про­исхождение неоднородностей само по себе является важ­ной проблемой, так как различные термодинамические и квантовые флуктуации оказываются недостаточными даже для того, чтобы привести к появлению отдельных галактик, не говоря уже об их скоплениях.

На симпозиуме по космологии (1973), который Про­исходил в Польше в рамках посвященной юбилею Ко­перника Генеральной ассамблеи Международного астрономического союза, энергично обсуждались две из не­скольких существу гипотез образования галактик.

Обе гипотезы чрезвычайно активно разрабатывают совет­ские астрофизики. Одну из них развивает Я. Б. Зельдо­вич со своими учениками А. Г. Дорошкевичем, Р. А. Сюняевым и И. Д. Новиковым, другую — Л. М. Озерной.

Познакомимся с основными идеями этих гипотез.

Обе гипотезы исходят из того, что галактики образо­вались на ранних стадиях расширения Метагалактики. На это, в частности, указывает сравнение возраста самых старых звезд нашей Галактики (10—15-10⁹ лет) с при­мерно таким же возрастом Метагалактики. Обе гипотезы предполагают, что на догалактической стадии в среде существовали значительные неоднородности. Однако их природу, механизм превращения неоднородностей в га­лактики и дальнейшую эволюцию галактик авторы кон­курирующих гипотез представляют по-разному.

В основу гипотезы Я. Б. Зельдовича положена горячая космологическая фридмановская модель и восходящие к И. Ньютону и Дж.Джинсу представления о том, что однородно распределенное в пространстве вещество не­устойчиво и собирается в сгустки под действием сил тя­готения. Малые случайные возмущения плотности, су­ществовавшие на ранних стадиях эволюции Вселенной, постепенно росли из-за гравитационной неустойчивости. Теория развития малых возмущений в однородной и изо­тропной космологической модели рассмотрена, как мы уже знаем, Е. М. Лифшицем. С некоторого момента не­однородности начинают развиваться нелинейно и, как показывают расчеты, в результате сжатия вещества ударными волнами возникают достаточно плотные дву­мерные образования — «блины». «Блины» эти довольно горячие — температура вещества в них могла достигать миллиона градусов. В разных частях расширяющейся Метагалактики возникали разные «блины», причем опо­здавшие «блины» (т.е. те, которые возникли позднее) имели меньшую массу, плотность и температуру, чем их старшие соседи.  (Поэтому трудно  сказать,  какие из «блинов» в этой космической кухне получились комом.) Распад созревших «блинов» — начало рождения галактик, звезд в них и, возможно, квазаров. Так как «блины» были разные, то и продукты распада оказались неодинаковыми: из одних «блинов» возникали скопления, из других небольшие группы галактик, из третьих — оди­ночные галактики. Предполагая, что на догалактической стадии среда была довольно спокойной, безвихревой, авторы гипотезы считают, что ударные волны, породив­шие «блины», должны были создать внутри них турбу­лентность, вихри, т. е. все то, что могло стать первопри­чиной вращения будущих галактик.

Развитие «блинной» гипотезы идет полным ходом, а потому сейчас еще преждевременно излагать ее более детально. Поэтому мы рассказали лишь о некоторых идеях этой гипотезы. Надо добавить, что авторы гипо­тезы, подчеркивая ее статистический характер, пытаются с единой точки зрения получить оценки масс отдельных галактик и их скоплений, а также вывести некоторые дру­гие параметры галактик.

Согласие теории с наблюдениями, конечно, очень важно, но еще важнее увидеть «блины», которые еще не успели превратиться в галактики. Температура в веществе «блина» неодинакова — там должны быть горячие и холодные области. Предполагается, что радиоизлуче­ние холодной части «блина» может быть выявлено на волне 21 см, хотя практические трудности обнаружения «блинов» очень велики. Не исключено, что, может быть, посчастливится увидеть какой-нибудь «блин» на фоне квазара: об этом астрономы узнали бы, заметив в спектре квазара чужие линии поглощения.

В гипотезе Л. М. Озерного развивается высказанная в 1951 г. К. Вейцзеккером идея о том, что в догалактической стадии в среде существовали гигантские вихревые движения. В «горячей» Вселенной, по мнению автора ги­потезы, могли возникнуть и сохраниться лишь гигантские фотонные вихри, т. е. сложные вихревые движения излучения и плазмы. Масса покоя фотонных вихрей сравнима с массой скопления галактик. Механизм возникновения таких вихрей пока неясен. Не исключено, что они, подобно расширению, являются коренным свойством Метагалактики, но тогда приходится рассматривать Метагалак­тику уже на самых ранних стадиях как неоднородную и неизотопную.

Постулируя существование фотонных вихрей, гипотеза М. Озерного рисует довольно стройную и подробную картину происхождения галактик. Зная скорости враще­ния современных галактик и применяя к вихрям закон сохранения момента количества движения, автор гипотезы оценивает скорость вихревого движения и приходит к выводу, что в эру избытка радиации эта скорость была много меньше скорости звука в среде. Но вот температура в сре­де достигла 3000—4000 К. Мы уже знаем, что на этой ста­дии произошла рекомбинация плазмы. Теперь движущиеся фотоны уже перестали увлекать за собой нейтральный газ. Скорость звука в среде стала определяться упругостью газа. Раньше она была соизмерима со скоростью света, а теперь оказалась не только много меньше скорости све­та, но и меньше скорости вихревых движений. Это значит, что вихревые движения стали сверхзвуковыми. Одна ив особенностей  сверхзвуковых   движений — образование ударных волн. Распространяясь в среде, ударные волны порождают неоднородности в распределении вещества. Возникшие  вращающиеся   сгущения   рассматриваются автором гипотезы как будущие галактики или даже скопления галактик.

Л. М. Озерному удалось вычислить и удовлетворитель­но согласовать с данными наблюдений такие важные кос­могонические параметры галактик, как соотношение ра­диус — масса, удельный момент вращения и другие, а так­же связать с физическими свойствами догалактических сгущений появление различных типов галактик (спираль­ных и эллиптических).

Интересные результаты получили крупные зарубежные ученые, включившиеся в разработку вихревой гипотезы. Так, по мнению голландского астронома Я. Оорта, в рам­ках вихревой гипотезы, возможно, удастся объяснить вы­падение межгалактического газа на галактики. Не исклю­чено, что вихревая гипотеза поможет выяснить причину магнитных полей в галактиках.

В настоящее время трудно сделать выбор между двумя гипотезами образования галактик. Да, пожалуй, сейчас еще и рано делать такой выбор. Но можно сказать, во-первых, что обе они имеют шанс оказаться перспективнее других существующих гипотез. Во-вторых, обе они на­ходятся в стадии разработки и пока сделали лишь свои самые первые шаги по пути решения исключительно слож­ной комплексной проблемы, неразрывно связанной с кос­мологией, внегалактической астрономией, астрофизикой и физикой. И уж, конечно, к процессу образования галак­тик причастна вся физика, а не только механика.

Е.П. Левитан

ФИЗИКА ВСЕЛЕННОЙ