Догалактична структура
Спільна астрономія. Всесвіт. Догалактична структура
Загальна астрономія. Догалактична структура
Як і в початковій теорії Джинса, в сучасній теорії гравітаційної нестійкості фігурує джинсова критична довжина. Вона повністю зберігає своє значення, і навіть її вираз через швидкість звуку та щільність середовища має колишній вигляд (див. вище). Це і зрозуміло, адже джинсова довжина з'являється в міркуваннях про відносну роль тиску і тяжіння в середовищі, і ці міркування настільки прості і природні, що самі по собі не вимагають, власне, знання загальної картини гравітаційної нестійкості. Дуже важливою є та обставина, що в середовищі, що розширюється, співвідношення між розміром області обурення і джинсовою довжиною змінюється з плином часу. Ми побачимо нижче, що в епоху до рекомбінації космічної плазми джинсова довжина зростала пропорційно до часу, що відраховується від початку розширення. Розміри ж обурень росли лише як квадратний корінь з часу, відповідно до загального закону зміни всіх відстаней у світі, що розширюється. (Розміри згущень, що посилюються гравітаційною нестійкістю, зростали і ще повільніше, тому що їх розширення трохи відставало від загального космологічного розширення.) Якщо в якісь ранні часи розмір обурення перевершував джинсову довжину, то пізніше він міг виявитися і меншим за неї. Тоді гравітаційна нестійкість у цій галузі припинялася і, як показує теорія, обурення масштабів, менших за джинсову довжину, перетворювалися на пульсуючі згущення та розрідження, подібні до звукових хвиль у середовищі. Амплітуда таких хвиль не змінювалася під час розширення (до епохи рекомбінації), які довжини хвиль зростали разом із загальним розширенням світу. Космічна середовище вперший мільйон років розширення являла собою суміш плазми і випромінювання, що взаємодіють між собою завдяки електромагнітним силам, що їх зв'язують. Фотони переважали і за кількістю, і за густиною. Фотонів у Всесвіті приблизно в мільярд разів більше, ніж електронів та протонів. Що ж до щільності, то фотони немає маси спокою і тому їх «щільність спокою» дорівнює нулю; однак вони мають енергію, а з енергією завжди пов'язана певна маса. За формулою Ейнштейна E = Mc 2 всякій масі М відповідає енергія Е і навпаки, всякій енергії Е відповідає маса М; маса та енергія пропорційні один одному і коефіцієнтом пропорційності служить квадрат швидкості світла.
У цій суміші космічної плазми та випромінювання домінувало випромінювання, і саме від нього залежала пружність середовища, тиск у ній. Відповідно до цього і швидкість звуку в такому середовищі визначалася випромінюванням, фотонами. У звичайному газі швидкість звуку майже точно збігається із середньою швидкістю теплових рухів молекул. У газі фотонів теплова швидкість - це швидкість світла, з якою рухаються всі фотони. Тому і швидкість звуку в газі фотонів (з незначною домішкою плазми) близька до швидкості світла: u = c/ sqr3 Знаючи швидкість звуку, можна оцінити і джинсову довжину за загальним співвідношенням, яке було наведено вище: довжина джинсу є u / sqrGp. Тут під р потрібно розуміти повну щільність космічного середовища - суму щільностей речовини та випромінювання. Але ми знаємо, що існує простий зв'язок між щільністю світу р в даний момент і часом t, що пройшов до цього моменту від початку космологічного розширення: t = 1/sqrGp. Порівняння двох співвідношень показує, що у ранньому Всесвіті джинсова довжина зростала пропорційно віку світу. З точністю до не дуже суттєвогочисельного множника ця довжина є просто добуток швидкості світла на час, що протікало до цього моменту від початку космологічного розширення: ct. Ми бачимо, що (з тією ж точністю) джинсова довжина в ранньому Всесвіті збігається з відстанню до горизонту світу: адже відстань до горизонту — це шлях, що проходить світлом за час від початку розширення. У перший мільйон років обурення, що зростають, у гарячому Всесвіті виходять своїми розмірами за обрій. У згущенні такого розміру неможливий причинний зв'язок його країв: один край «не знає», що відбувається з іншим. Але гравітаційна нестійкість однаково діє у всьому обсязі згущення і тому посилює кожне таке обурення як ціле.
По суті, ситуація тут та ж що і з Всесвітом загалом: розмір Всесвіту більший за відстань до горизонту, причинний зв'язок із «загоризонтними» його областями відсутній, проте Всесвіт як ціле розширюється регулярно, у всіх своїх областях. Для дослідження гравітаційної нестійкості раннього Всесвіту важливо знати, як змінюється від одного часу до іншого джинсова маса, тобто маса речовини, укладена в області з розміром, рівним джинсовій довжині. При віці світу за одну секунду ця маса відносно мала — менша за масу Сонця. Але вона швидко зростає в ході розширення і при віці світу в один мільйон років становить величезну величину - 10 * 18 мас Сонця, що в тисячу разів більше мас найбільших скупчень галактик. Під джинсовою масою ми розуміємо тут саме масу речовини, масу частинок плазми, укладених в області з розміром, що дорівнює джинсовій довжині; сюди не включається випромінювання - воно все одно потім «випарується» і галактика або скупчення галактик утворюються тільки з частинок плазми. Обурення, що включає стількичастинок плазми, скільки їх міститься у великому скупченні галактик з масою в 10 * 15 сонячних мас, майже весь час має розмір, що перевищує джинсову довжину. При віці світу в один мільйон років відбулася рекомбінація плазми, що спричинила різку зміну фізичних умов у метагалактичному середовищі. До цього речовина знаходилася в стані плазми та електрони були відірвані від іонів (головним чином, протонів) тепловими рухами; однак загальне охолодження середовища при космологічному розширенні поступово послаблювало теплові рухи. Нарешті, температура впала до значення 3 тисячі градусів, при якому електрони та іони об'єдналися і утворили нейтральні атоми. Дуже важливо, що рекомбінація припиняє взаємодію випромінювання та речовини, яка тепер стає нейтральною. Після рекомбінації випромінювання та речовина поводяться вже незалежно один від одного. Ущільнення в речовині продовжують посилюватися гравітаційною нестійкістю, але відповідна новим умовам джинсова довжина і джинсова маса, що відповідає їй, різко падають. Це з тим, що тепер не фотони, а власна пружність газу визначає швидкість звуку у ньому. При температурі 3 тисячі градусів вона становить приблизно 6 кілометрів на секунду. Щільність світу за доби рекомбінації оцінюється величиною 3•10* 22 г/см 3 . Ми вже робили оцінку джинсової маси для таких значень швидкості звуку та щільності середовища та знайшли її рівною мільйону сонячних мас. У післярекомбінаційну епоху обурення в масштабах, що перевищують за масою мільйон мас Сонця, розвиваються гравітаційною нестійкістю в однаковому темпі. У той час, коли гравітаційна нестійкість у цьому масштабі діє, згущення відчуває коливання щільності, амплітуда яких залишаєтьсяпостійною. Великомасштабні обурення мають перевагу - вони практично не схильні до дії диссипативних процесів. Дисипативні процеси - це в'язкість і теплопровідність середовища, що прагнуть згладжувати будь-які обурення в середовищі і переводити в тепло пов'язану з ними енергію власних рухів.
Ці процеси не діють на загальне космологічне розширення, так як воно залишає однорідне середовище і не викликає в ній ковзання одних шарів по інших. Але обурення щільності можуть відчувати їхню дію. Дія теплопровідності дуже важлива в ранні епохи космологічного розширення. У дорекомбінаційну епоху, коли речовина та випромінювання тісно пов'язані між собою, вони поводяться як єдине середовище. У обуреннях густини, що посилюються гравітаційною нестійкістю, беруть участь разом і частинки плазми та фотони випромінювання. Такі спільні збурення плазми та випромінювання прийнято називати адіабатичними збуреннями. В адіабатичних згущення щільність і температура вище, ніж у навколишньому середовищі. Але перепад температури викликає, як завжди, потік тепла з більш нагрітої області більш холодну. Перенесення тепла, тобто теплопровідність у середовищі, що є сумішшю плазми і випромінювання, здійснюють найкраще фотони: вони просочуються з області згущення назовні, несучи тим самим зі згущення його надлишкове тепло. Те саме відбувається і з частинками плазми, але фотонна, або, як кажуть, промениста, теплопровідність ефективніша: по-перше, фотони переважають над частинками плазми і за кількістю і щільністю; по-друге, фотонам легше залишити згущення, ніж електронам або іонам. Фотони, що йдуть з області згущення, захоплюють за собою також і електрони та іони, і тому відбувається загальне розсмоктування згущення. Як показали Дж. Сілк та Г. В. Чибісов, така променистатеплопровідність згладжує перепади температури, а водночас і гасить самі адіабатичні збурення щільності в космічній суміші речовини та випромінювання. Її дія тим ефективніша, чим менший масштаб обурення. Останнє пов'язано просто з тим, що надлишкові, «зайві» фотони швидше залишають згущення малого розміру, ніж згущення великого розміру. В результаті до епохи рекомбінації, коли дія променистої теплопровідності припиняється, знищеними виявляються всі адіабатичні обурення, що містять маси, менші ніж 10*15 мас Сонця. Це дуже важливий результат. Він означає, що після першого мільйона років космологічного розширення у Всесвіті виживають лише такі адіабатичні обурення, які відповідають за масою найбільшим утворенням — скупченням та надскопінням галактик. У розроблюваної Я. Б. Зельдовичем та його співробітниками космогонічної теорії, заснованої на припущенні про існування первинних адіабатичних збурень, цей факт має ключове значення: розвиток гравітаційної нестійкості призводить до післярекомбінаційної епохи до відокремлення згущень з масами 10*15.