Эволюция галактик

Эволюция галактик

17

Содержание

С древнейших времен людей интересовало, что же находится за горизонтом, и они отправлялись исследовать далекие и незнакомые земли. По мере того как Земля открывала человеку большинство своих белых пятен, астрономы стали выходить в область новых и не исследованных территорий за пределами нашей маленькой планеты. Сегодня исследователи Вселенной, используя современные телескопы и ЭВМ, продвигаются в направлении всё больших расстояний в поисках предела Космоса - последней его границы.

Столетия мы были узниками Солнечной системы, считая звезды просто украшениями сферы, расположенной за планетами. Потом человек признал в этих крошечных светящихся точках другие солнца, настолько далекие, что их свет идет до Земли многие годы. Казалось, что космос населен редкими одинокими звездами, и ученые спорили о том, простирается ли звездное население в пространстве неограниченно или же за некоторым пределом звезды кончаются и начинается пустота. Проникая все дальше и дальше, астрономы нашли такой предел, и оказалось, что наше Солнце - одна из огромного числа звезд, образующих систему под названием Галактика. За границей Галактики была тьма.

XX век принес новое открытие: наша Галактика-это еще не вся Вселенная. За самыми далекими звездами Млечного Пути находятся другие галактики, похожие на нашу и простирающиеся в пространстве до пределов видимости наших крупнейших телескопов. Грандиозные звездные системы - одни из самых потрясающих и наиболее изучаемых современной астрономией объектов.

Одна из задач современной астрономии - понять, как образовались галактики и как они эволюционируют. Во времена Эдвина Хаббла и Харлоу Шепли было заманчиво верить в то, что типы галактик соответствуют разным стадиям их развития. Однако эта гипотеза оказалась неверной, и задача реконструкции историй жизни, галактик оказалась трудной. Самой же трудной оказалась проблема первоначального возникновения галактик.

Природа Вселенной в те времена, когда еще не существовали галактики, неизвестна, и приписываемые ей гипотетические характеристики в значительной степени зависят от выбираемой космологической модели. Большинство принятых в настоящее время космологических моделей предполагает общее расширение, начиная с нулевого момента времени (сразу же после которого Вселенная имеет исключительно высокие плотность и температуру). Физические процессы, описывающие первичный взрыв в этих моделях, могут быть довольно надежно прослежены до момента, когда плотность и температура становятся достаточно низкими, чтобы стало возможным образование галактик. Примерно 1 миллион лет потребовался для того, чтобы Вселенная расширилась и остыла настолько, что вещество стало играть в ней важную роль. До этого преобладало излучение, и сгустки вещества, такие как звезды или галактики, не могли образовываться. Однако, когда температура стала равной примерно 3000 К, а плотность-около 10^21 г/см^3 (значительно меньше плотности земной атмосферы, но по меньшей мере в миллиард раз больше современной плотности Вселенной), вещество, наконец, смогло формироваться. В это время в достаточных количествах могли образовываться лишь атомы водорода и гелия.

Хотя можно представить несколько механизмов образования галактик из этого водородно-гелиевого газа, найти хотя бы одну модель, работающую в вероятных условиях ранней Вселенной, трудно. Очень мало резонов для образования галактик в расширяющейся Вселенной с однородным распределением температуры и вещества. В такой идеализированной Вселенной никогда не будет галактик. Существование галактик во Вселенной и видимое преобладание их как форм вещества говорят о том, что догалактическая среда никак не напоминала такое идеализированное газовое облако. Вместо этого должны были существовать какие-то неоднородности. Однако какого типа эти неоднородности и откуда они взялись?

Если рассматривать замкнутую систему, то общая масса системы и, следовательно, ее общее гравитирующее действие будут зависеть от всей энергии системы, то есть от совокупности энергии вещества и энергии поля тяготения.

А. Эйнштейн

Всякий взрыв непременно сопряжен с той или иной долей хаотичности, и чем мощней взрыв, тем больший хаос он производит. Наиболее мощным взрывом во Вселенной, в котором одновременно участвовало все вселенское вещество, несомненно являлся Большой взрыв. Конечно, с учетом детерминизма теоретически возможно предопределение всех последствий даже такого взрыва. Для этого достаточно знать предшествовавшие ему физические условия как-то вращательный момент Протовселенной, общую массу и распределение плотности входившего в нее эфира. В этом случае имеется формальная возможность просчитать дальнейшее поведение каждого из 1080 образующихся при рождении вещества протонов. Однако очевидно, что практически решение такой задачи неосуществимо, тем более что заниматься ее решением вообще было некому. А потому приходится с возникшим после Большого взрыва хаосом считаться как с непреложным и не поддающимся точному описанию фактом. С позиций интересующих нас процессов первичный хаос во Вселенной означал всенаправленный выброс вещества из области сингулярности разнокалиберными по своей массе, скорости разлета, кинетической и вращательной энергии сгустками, плотность распределения вещества в которых по мере расширения объема Вселенной последовательно уменьшалась. Параллельно этому происходило и уменьшение скорости их разлета. С “возвращением (гравитационной) сущности на свое место” динамика разлета стала для вещества вообще физически невозможной. Наиболее энергетически выгодным для него оказалось движение по так называемым “геодезическим линиям”, то есть по тем направлениям, где потенциалы гравитационного поля сохраняются практически неизменным, - своеобразным гравитационным монорельсам. Двигаясь по таким траекториям, вещество становится гравитационно-невесомым, а значит, перестает расходовать свою кинетическую энергию. С прекращением разлета вещества Вселенная стабилизирует свои размеры и переходит из стадии расширяющейся в стадию стационарной Вселенной.

В результате такой динамической перестройки характер энергетических процессов во Вселенной претерпел существенные изменения. Если на этапе существования последовательно убывавшая кинетическая энергия вещества преобразовывалась в кинетическую энергию эфира, то с наступлением действительности этот процесс прекратился. Значение каждой из этих составляющих кинетической энергии Вселенной становится практически неизменным. При этом важно иметь в виду, что веществу как первоисточнику кинетической энергии, в значительной мере принадлежала определяющая роль в распределении количеств кинетической энергии по различным областям единого эфирного тела Вселенной, которое (распределение) в силу уже отмеченной нами хаотичности разлета вещества характеризовалось весьма значительными отклонениями от равномерности.

Соответственно этому к моменту наступления действительности в пространстве Вселенной сложилась чрезвычайно сложная динамическая картина. Миллиарды беспорядочно разбросанных по сему занимаемому эфиром объемом облаков разреженной водородно-гелиевой смеси в зависимости от принадлежности к тому или иному скоплению близлежащих облаков участвовали сразу в нескольких вращательных и поступательных движениях. Прежде всего, с той или иной собственной скоростью вращения, обусловленной начальными условиями Большого взрыва, вращалось каждое из облаков в отдельности. Далее, входившие в скопления облака участвовали в общем вращательном движении отдельных скоплений. В свою очередь те скопления, которые входили в состав сверхскоплений, участвовали во вращательном движении этих сверхскоплений. И наконец, все как один элементы единой механической системы Вселенной, будь то отдельные частицы, группы частиц, водородно-гелиевые облака, скопления и сверхскопления облаков, участвовали в общем вращательном движении Вселенной. Таким образом, траектории поступательного движения вещества в объеме единого эфирного тела Вселенной представляли собой весьма замысловатые фигуры. При этом каждая отдельная частица вещества сама по себе располагала собственной кинетической энергией.

Однако, как мы уже отмечали, кинетической энергией, а значит и поступательным движением, в реальной Вселенной располагает не только вещество, но т непрерывный эфир. И вот здесь самое время в систему физических понятий, имеющих важное значение для уяснения сути происходивших в то время событий, ввести понятие гравитационно-значащих объектов. Дело в том, что как показывает современная космическая обстановка, являющаяся непосредственным продолжением и отражением той далекой эпохи, непрерывный эфир Вселенной участвует в совместном, согласованном движении только с теми космическими объектами, масса которых превышает некоторую величину, очередную количественную меру, играющую определяющую роль в работе вселенского гравитационного механизма. Только с такими массивными объектами непрерывный эфир как бы срастается воедино, сопровождая их во всех космических странствиях. Являясь при этом единым телом, общим основанием нашего мира, находящийся в постоянном движении эфир Вселенной увязывает все эти объекты своеобразными гравитационными перемычками в мировую механическую систему, представляющую собой хотя и чрезвычайно сложный, но тем не менее достаточно высокоорганизованный ансамбль. Все остальные объекты, то есть те, которые не располагают достаточной массой, осуществляют свои перемещения в космическом пространстве не совместно с эфиром, а относительно него. К примеру, Солнце, Земля, Луна, другие планеты и массивные спутники планет движутся в пространстве Вселенной совместно с прилегающими к ним слоями эфира различной мощности, а кометы, астероиды, метеориты, легкие спутники планет, ракеты, самолеты и т. д. и т. п. перемещаются относительно эфира, входящего в состав того или иного гравитационно-значащих объектов. Не достигшие гравитационной значимости объекты не располагают собственным гравитационным полем; они лишь вносят то или иной вклад в гравитационное поле того массивного объекта, пространстве которого они в данный момент находится.

Но это все сейчас, а в ту далекую эпоху начала действительности плотных космических объектов еще не было, им еще только предстояло сформироваться из той чрезвычайно разреженной водородно-гелиевой смеси, которая была беспорядочно разбросана по всему пространству Вселенной в виде отдельных облаков, скоплений и сверхскоплений. Приостановив хаотический разлет вещества, принудив его к движению по геодезическим направлениям, возвратившаяся на свое место гравитационная сущность вновь приступила к своей характерной деятельности - самоуплотнению. Только теперь, когда в едином теле эфира оказался не один неподвижный, а великое множество подвижных локальных, региональных и зональных центров тяжести масс, строение гравитационного организма Вселенной приобрело сложную иерархическую структуру, характеризующуюся большой асимметрией и внутрисистемной изменчивостью. Перемещаясь совместно с гравитационно-значащими массами водородно-гелиевой смеси, совершающими свои замысловатые движения, непрерывный эфир превратился в своеобразный бурный космический океан с многочисленными интенсивными глубинными течениями.

Естественно, что в условиях практически полного отсутствия какого-либо порядка в распределении масс и энергии вещества и эфира в пространстве Вселенной никакой речи о едином механизме ее стягивания к общему центру тяжести, как это имело место на этапе Протовселенной, быть не могло. Общий гравитационный механизм некогда одноэлементного эфира был раздроблен на неподдающиеся непосредственному счету количество составных частей. Однако это отнюдь не мешало его врожденной способности к самоуплотнению, а всего лишь придало этой способности широко разветвленный характер. Теперь, когда материя стала двух субстанциальной, высоко динамичной, неоднородной и асимметричной, существо противоборства вещества и эфира стало состоять в следующем. Обладающие кинетической энергией гравитационно-значащие массы вещества оказались внутри сопровождающих их инерциальное движение оболочек эфира, общесистемное единство которых надежно обеспечивалось чрезвычайно разветвленной, простирающейся по всей Вселенной эфирной перемычкой. Каждая из взаимосвязанных таким образом локальных оболочек наряду с приобретенной ею кинетической энергией обладала самостоятельной энергией стягивания, которой противодействовали силы внутреннего давления, возникающие вследствие хаотического теплового движения частиц вещества. в силу того, что для этапа действительности характерен некоторый перевес общей гравитирующей потенциальной энергии эфира над общей антигравитирующей кинетической энергией вещества, локальные оболочки эфира тоже получили некоторый энергетический перевес над внутренним давлением водородно-гелиевых облаков. Так в пространстве Вселенной сформировались многочисленные протогалактические туманности, представлявшие собой гравитационно-значащие массы вещества, полностью погруженные в контролирующие их движение эфирные оболочки.

Рис. 1. Фрагментация протогалактической туманности

Под воздействием обладающей перевесом потенциальной энергии эфира входящие в каждую из туманностей вещество начало последовательно сгущаться, что равносильно повышению его плотности. В свою очередь, повышение плотности вещества оказывает на его энергетические способности двоякое действие. С одной стороны, за счет роста количества случайных столкновений частиц вещества его упругость, противодействующая силам внешнего давления со стороны эфира, тоже растет, что ограничивает возможности сжатия протогалактической туманности как единого целого определенным пределом. Однако, с другой стороны, увеличение количества столкновений сопровождается уменьшением общей энергии вещества за счет выхода ее за пределы туманности в виде возникающих в результате соударений частиц квантов излучения - фотонов. К тому же рост числа столкновений вызывает повышение хаотичности в движении вещества, что приводит к образованию новых неоднородностей в плотности его распределения. В силу всех этих причин в протогалактической туманности возникают области возмущения и в действие вступают выявленные английским астрофизиком Д. Джинсом законы кинетической теории газов, согласно которым единая туманность делится на обособленные фрагменты, размеры которых пропорциональны критической джинсовой длине. При этом самый маленький по размерам фрагмент образуется в центре протогалактики (рис. 15), где плотность вещества самая большая, а критическая джинсовая длина соответственно самая маленькая. Так образуется зародыш массивного ядра будущей галактики. Следующий за центром протогалактики слой делится на более крупные фрагменты, за ним идут еще более крупные, и еще. В результате в примерно шаровом объеме протогалактической туманности образуется множество шаровых фрагментов. Каждый из которых обладает собственной гравитационной массой.

В этих новых условиях контролирующий системное единство протогалактики эфир, сохраняя свою способность удерживать туманность от распада, наряду с общей оболочкой, охватывающей протогалактику целиком, создает частные оболочки вокруг каждого обособившегося фрагмента. Поэтому дальнейшее стягивание туманности приобретает комплексный характер: как целостное образование она продолжает сжиматься к центру масс протогалактик и, которым служит наиболее плотный центральный фрагмент Я (ядро); как фрагментарное образование она сжимается в каждом из своих фрагментов. Последние точно потому же принципу, как протогалактическая туманность раздробилась на шаровые фрагменты, делятся на еще более многочисленные и мелкие образования - протозвездные облака. И снова происходит перераспределение усилий эфира. Теперь они уже направлены на 1) удержание единой формы протогалактической туманности, которая за счет общего вращения туманности приобретает эллиптический вид; 2) удержание шаровых форм образовавшихся после дробления туманности фрагментов; 3) уплотнение вещества, оказавшегося в составе обособившихся протозвездных облаков.

Прошло еще какое-то время и гравитационным силам стягивания удалось настолько уплотнить вещество протозвезд, что в них в результате добровольного объединения атомов легчайших элементов в легкие сначала затеплились, а потом на полную мощь разгорелись термоядерные реакции. В космических небесах одна за другой во все нарастающем темпе стали появляться водородно-гелиевые звезды. Так протогалактики повсеместно превратились в эллиптические галактики.

Добровольное объединение атомов легчайших элементов в легкие (термоядерная реакция) сопровождается выделением некоторого количества энергии. Физически ее происхождение вызвано тем, что для удержания получающегося в ходе реакции легкого атома в устойчивом состоянии требуется меньшая энергия связи, чем сумма энергий связи вошедших в его состав легчайших атомов. Избыток энергии связи в виде фотонов и нейтрино испускается в окружающее пространство. С позиций последовательного эволюционного развития материального мира Вселенной данное явление означает рождение очередной (четвертой по счету) энергетической сущности - термоядерной. При этом часть входившего в эфирные оболочки легчайших атомов вещества перерабатывается в излучение, чем и обеспечивается высокая оптическая и прочая энергетическая активность водородно-гелиевых звезд первого поколения.

В поисках типа иррегулярности или неустойчивости, которая приводит к современной Вселенной, состоящей из галактик, астрономы исследовали много других видов неустойчивости, кроме гравитационных. Среди них - возможное отсутствие баланса вещества и антивещества, тепловые неустойчивости, флуктуации, связанные с ионизацией и ее зависимостью от температуры и вариации распределения заряда.

Если предполагается из соображений симметрии, что количество вещества во Вселенной было равно и равно сейчас количеству антивещества, то современное существование вещества и антивещества в изолированных областях во Вселенной, естественно, может быть результатом небольшого локального неравенства компонентов в ранней Вселенной после того, как вещество и антивещество отделились от излучения. Во время расширения Вселенной полная аннигиляция произойдет в тех областях, где количества вещества и антивещества равны, а там, где имеется исходный избыток одного из них над другим, часть вещества или антивещества останется (рис. 3). Распределение вещества и антивещества будет клочковатым и сгустки будут сжиматься, образуя скопления галактик. Такая вселенная в конце концов будет состоять из кусочков вещества и антивещества, расположенных в различных местах. В этом случае примерно половина видимых нами галактик будет состоять из антизвезд. Если мы отправимся в путешествие в такое место и попытаемся совершить посадку на планету из антивещества, то наши атомы бурно провзаимодействуют

с атомами антивещества на месте посадки и они аннигилируют друг с другом, что вызовет яркую вспышку света, но вряд ли сделает визит очень приятным. От нас ничего не останется, кроме дыры на поверхности в память о нашей авантюре.

Более вероятная гипотеза утверждает, что вначале количество вещества немного превосходило количество антивещества. Тогда большая часть вещества должна была проаннигилировать с антивеществом на ранних космических фазах при высокой плотности, оставив купающуюся в лучах света Вселенную с количеством вещества, как раз достаточным для образования галактик.

Другой механизм, который мог способствовать конденсации вещества - это тепловая неустойчивость. Области с немного повышенной плотностью остывают быстрее, чем их окружение. Более горячие окружающие регионы сильнее сжимают эти области, повышая их плотность. Таким образом, небольшое возмущение плотности может становиться все более неустойчивым (рис. 4).

Согласно еще одной гипотезе, предложенной Георгием Гамовым, гравитационные силы могут усиливаться "симулированной гравитацией", создаваемой в ранней истории Вселенной интенсивным полем излучения. Частицы в такой Вселенной, как правило, затеняют друг друга от излучения и в результате испытывают действие силы, направленной от каждой частицы к другой частице. Эта сила, с которой частицы подвергаются действию друг друга, ведет себя по закону обратных квадратов, подобно силе тяготения. Можно, например, представить себе две частицы, разделенные небольшим расстоянием в богатом излучением поле. Частицы поглощают энергию фотонов поля излучения и поэтому находятся под влиянием сил. действующих в разных направлениях. Рассмотрим ситуацию, когда одна частица поглощает фотон, приходящий с направления, противоположного направлению на вторую частицу. На эту частицу действует сила в направлении второй частицы.

Так как фотон был поглощен первой частицей, вторая частица оказывается защищенной от поля излучения в этом направлении, и поэтому на нее действует сила преимущественно в направлении первой частицы. В результате возникает эффект взаимного притяжения двух частиц, вызванный их взаимным затенением от поля излучения. Установлено, что этот эффект тени имеет значение лишь на протяжении примерно первых 100 лет существования Вселенной, после чего интенсивность излучения и степень близости частиц уменьшается.