Крупномасштабная структура вселенной

Психология и физиология восприятия информации

На миллиарды световых лет через просторы Вселенной протянулись космические "соты": сверхскопления галактик, окружающие гигантские пустоты. Возможно, такая структура обусловлена возмущениями плотности вещества на ранних стадиях расширения Вселенной.

Джозеф СИЛК,
Александр Ш. САЛАИ,
Я. Б. ЗЕЛЬДОВИЧ.

Астрономы давно осознали, что распределение вещества в космических масштабах должно нести отпечаток очень ранней стадии эволюции Вселенной. Согласно теории, она начала расширяться из состояния бесконечной или очень большой плотности 10-20 миллиардов лет назад, это расширение продолжается и сейчас. В простейшем варианте теории расширение происходит однородно, что хорошо согласуется со многими наблюдениями. Они, в частности, показывают, что вещество разбегается от нашей галактики со скоростью, которая гладко меняется с расстоянием, а у холодного электромагнитного излучения, заполняющего Вселенную с древнейших времен, температура меняется менее чем на Узоооо градуса в пределах нескольких угловых градусов на небесной сфере.

Есть, однако, очевидное свидетельство того, что расширение Вселенной не совсем однородно. Если бы оно было абсолютно однородным, то вещество не могло бы слипаться и Вселенная представляла бы собой газ из атомов и элементарных частиц, который становился бы все более разреженным в процессе расширения. Не было бы ни звезд, ни галактик.

Сторонник теории расширяющейся Вселенной, чтобы объяснить современную структуру мира, должен признать, что неоднородность в какой-то степени имела место уже на ранних стадиях расширения, что уже тогда существовали слабые разрежения и сжатия вещества и энергии, разбросанные по всему пространству. Изменения средней плотности должны были быть достаточно большими, но не слишком большими. Об их величине можно судить по тому, что в современную эпоху можно выделить звезды, галактики, скопления галактик и даже сверхскопления, но если рассматривать Вселенную в более крупных масштабах, то она достаточно однородна.

Использование в космологии достижений физики элементарных частиц позволило учесть все эти требования без введения неправдоподобных предположений о состоянии Вселенной на ранней стадии эволюции, в частности без привлечения каких-либо новых сил. Одно из предположений состоит в том, что по мере расширения Вселенной свободное движение элементарных частиц вначале подавляло или разрушало все неоднородности плотности меньше некоторой критической их величины. Выжили лишь те флуктуации сжатия и разрежения, массы которых достигали 1015- 1016 масс Солнца. Из них в дальнейшем образовались гигантские газовые облака неправильной формы, похожие на блины. При пересечении "блинов" образовались области повышенной плотности, принимающие форму длинных тонких волокон.

Показанные на верхнем рисунке контуры высокой плотности с учетом всех галактик северного неба ярче звездной величины 14,5 в пределах 250 миллионов световых лет от нашей галактики (1801 галактика) хорошо согласуются с теорией "блинов", в соответствии с которой для этого же района с построен нижний рисунок.

Одно из предсказаний теорий, описывающих все виды взаимодействий как единое целое, заключается в том, что отношение плотностей вещества и излучения должно оставаться постоянным. Если на ранних стадиях расширения существовали флуктуации общей плотности вещества, то плотность излучения (фотонов) должна была флуктуировать так же, как плотность протонов и нейтронов. Согласно, общей теории относительности масса и энергия эквивалентны как источники гравитации и определяют геометрию пространства. Поэтому возмущение плотности массы и энергии влечет за собой возмущение гравитационного поля, что равносильно флуктуации кривизны пространства-времени. Исчерпывающая теория подобных возмущений в расширяющейся Вселенной в рамках общей теории относительности, была развита в 1946 году Е. М. Лифшицем из Института физических проблем Академии наук СССР.

Разумно предположить, что в ранней Вселенной существовали возмущения самых разнообразных масштабов. Это предположение принимается исходя из принципа наиболее экономного описания природы: было бы неоправданным произволом считать, что уже заранее должны выделиться области, скажем, галактического характерного размера. Однако теория сумела найти физические механизмы, приводящие в итоге к возмущениям таких масштабов, которые обеспечивают нынешнюю структуру Вселенной.

Если смесь вещества и излучения, из которых состояла ранняя Вселенная, рассматривать как идеальный газ, то следствия возмущений плотности очевидны. Любое локальное сжатие плотности в достаточно большой массе приведет к гравитационной неустойчивости и коллапсу. В меньших масштабах сила гравитации не в состоянии преодолеть растущее давление газа, вызванное увеличением плотности. Поэтому подвергающийся сжатию малый объем газа "разожмется" и станет разреженным, причем возмущение будет распространяться подобно звуковой волне, области сжатия и разрежения будут чередоваться вдоль пути волны.

Описывая гораздо более позднюю эпоху формирования структуры Вселенной, теория разбирает ситуацию, когда давление не в состоянии противодействовать свободному падению вещества и гравитационная неустойчивость сгребает почти все вещество в сжимающиеся области высокой плотности. На ранних стадиях сжатия, когда плотность еще практически однородна, области, которым предстоит испытать сжатие, содержат около 7/8 всего вещества и окружают сравнительно малые объемы, заполненные веществом, которое никогда не будет сжиматься.

Эти объемы со временем превратятся в пустоты, после коллапса наступит, например, такой момент, когда сжавшиеся области будут занимать 1/8 объема пространства, а объемы, в которых содержится всего 1/8 вещества, расширятся и заполнят остальные 7/8 пространства. Конечный результат-ячеисто-сетчатая структура, образованная тонкими перегородками и волокнами, окаймляющими огромные пустоты - "черные области". В будущем по мере образования все больших скоплений вещества эта структура должна распасться. Таким образом, лишь на нынешней промежуточной стадии космической эволюции в структуре Вселенной отражены начальные свойства возмущений. Данные наблюдений показывают, что, с точки зрения эволюции крупномасштабной структуры Вселенной, она не слишком молода, но еще и не слишком стара.

Примечательно, что существование астрономических систем требуемого масштаба было недавно подтверждено. Измерив расстояния до нескольких тысяч галактик (по красному смещению) и их координаты на небесной сфере, астрономы построили трехмерные карты распределения галактик. Показано, что они концентрируются в колоссальные, размером до 100 миллионов световых лет, слои и волокнистые структуры, массы которых могут составлять порядка 10¹⁶ солнечных масс. В пределах каждой структуры можно выделить более плотно населенные области и волокна, причем многие из них находятся на пересечении двух слоев. Наконец, между самыми крупными структурами выявлены практически лишенные галактик огромные пустоты ("черные области") размерами от 100 до 400 миллионов световых лет. Происхождение характерного размера структур Вселенной впервые объяснил диффузией фотонов Д. Силк, образование тонких слоев вещества ("блинов") под действием гравитации открыл Я. Б. Зельдович.

Несмотря на большие достижения теория "блинов" имеет, однако, некоторые трудности. Одна из них вызвана тем, что в так называемую радиационно-доминиро-ванную эпоху (вещество существует еще в виде плазмы, излучение сильно взаимодействует с ней и гасит неоднородности, масштаб которых меньше определенного предела) неоднородности могли иметь массу более 1014 солнечных масс, в то время как согласно теории "блинов" структура и распределение галактик выявляются при неоднородностях в 10-100 раз большей массы.

Вторая трудность, еще более серьезная, связана с измеряемой радиоастрономами очень малой пространственной неравномерностью фонового микроволнового излучения, по этой неравномерности может быть рассчитана неоднородность вещества в ранней Вселенной. В то время, когда была сформулирована теория "блинов", она хорошо согласовывалась с измеренным тогда верхним пределом этой неравномерности. Но недавно Ф. Мельхиори из Флорентийского и Римского университетов и Ю. Н. Парийский из Пулковской обсерватории и Специальной астрофизической обсерватории в Зеленчуке по результатам o своих наблюдений резко уменьшили верхний предел флуктуации фонового радиоизлучения. Это в итоге привело к несоответствию теории роста возмущений и средней плотности вещества Вселенной, рассчитанной с учетом массы видимых ее объектов: получалось, что неоднородности вещества (плазмы), допустимые в радиа-ционно-доминированную эпоху, явно недостаточны.

Наблюдаемая плотность вещества не согласуется также с физическим законом, более устоявшимся, чем теория "блинов" - с законом Кеплера. В соответствии с ним скорость вращения вещества должна падать с удалением от галактического центра, однако установлено, что скорости звезд на периферии такие же, как и в центральных областях галактик. Решение этого противоречия независимо предложили Ф. Пиблс и Дж. Острхайкер из Прин-стонского университета и Я. Эйнасто из Тартуской обсерватории. Они пришли к выводу, что большая часть массы галактики приходится на долю несветящегося вещества, образующего ее корону. Есть косвенные свидетельства того, что в еще больших количествах такое несветящееся вещество должно присутствовать в группах и скоплениях галактик - без его гравитационного притяжения они просто развалились бы. Согласно некоторым оценкам на долю несветящегося вещества приходится 90 процентов массы Вселенной.

Итак, для спасения теории "блинов" настоятельно требовался новый компонент Вселенной, а для объяснения движений галактик - источник несветящегося вещества. Главным кандидатом на обе роли стало нейтрино, хотя для этого могут подойти другие экзотические, правда, еще неоткрытые частицы, такие, как массивные фотино и гравитино. Теории элементарных частиц предсказывают, что в первую миллисекунду расширения Вселенной для широкого диапазона взаимодействующих частиц устанавливается тепловое равновесие. Многие из этих частиц могли дожить до наших дней и при условии, что они устойчивы и имеют подходящую массу, могли бы играть важную роль в космологии. Выбор нейтрино в качестве предполагаемого главного "действующего лица" в образовании скрытой массы и в новом варианте теории "блинов" связан с несколькими обстоятельствами. Во-первых, нейтрино во Вселенной очень много, их почти столько же, сколько фотонов (соотношение 11 : 9), которых, в свою очередь, в миллиарды раз больше, чем протонов - основной частицы, образующей видимую массу. Нейтрино, в отличие от протонов и даже фотонов, очень слабо взаимодействуют с другими частицами, они начали распространяться сквозь вещество раньше и могли улететь дальше, чем фотоны. Хотя по мере замедления нейтрино могут сглаживать возмущения плотности вещества, они с большей вероятностью могут гравитационно захватываться крупными возмущениями, которые еще не подверглись сглаживанию. Р. Бонд из Станфордского университета и А. Салаи из Университета имени Этвеша в Будапеште оценили максимальный масштаб возмущений, захватывающих нейтрино, а значит, минимальный масштаб возмущений, не подверженных сглаживанию, - он соответствует современному расстоянию 100 миллионов световых лет и массе 10¹⁵-10¹⁶ солнечных масс. Это очень хорошо согласуется с размерами и массами сверхскоплений галактик.

Особый интерес к нейтрино со стороны астрофизики и космологии связач с исследованиями самого последнего времени, в которых показано, что масса покоя этой частицы скорее всего не равна нулю, как это было принято считать ранее. В 1980 году В. Любимов, Е. Третьяков и их сотрудники из Института теоретической и экспериментальной физики в Москве изучая распад трития, сообщили, что по результатам их измерений масса нейтрино лежит в пределах от 14 до 46 электронволь- это в 10-30 тысяч раз меньше массы электрона. Экспериментаторы продолжают свои очень тонкие измерения, сейчас они сузили пределы ошибок: масса нейтрино составляет 20-40 электронвольт. В эксперименте другого типа, который впервые выполнил Э. Фьорини из Миланского университета, показано, что масса нейтрино не может превышать 10-20 электронвольт. Исследователи, причастные к измерению массы нейтрино, полагают, что результаты "взвешивания" должны еще проверяться.

Если действительно масса покоя нейтрино такого порядка, то это имеет первостепенную важность для космологии - частиц этих во Вселенной, как говорилось, очень много и их общая масса превышает всю видимую массу во много раз. В теории "блинов" роль массивных нейтрино (то есть с ненулевой массой покоя) также очень велика. Гравитационные неустойчивости, связанные с нейтрино, могут начать развиваться намного раньше, чем теория полагала первоначально, и появляется больше времени для роста неоднородностей. Поэтому начальные возмущения плотности могут быть значительно меньшими, а конкретно такими, как следует из выявленных пространственных неравномерностей фонового радиоизлучения. Таким образом можно совместить теорию и наблюдения.

В модифицированной теории "блинов" разрабатывается более детальная теория образования галактик. Делается попытка показать, как малоамплитудные возмущения, требуемые в теории, связаны с более ранними и значительно менее понятными явлениями. Предварительные результаты вселяют надежду, что к концу века мы будем располагать последовательной теорией Вселенной.

Главное меню

Зрительное восприятие

Слух, обоняние, вкус

О жажде

Что такое жажда

Головной мозг

Дополнительно