Запрос:

Установить плагин

Рекомендую
0 0

Структурность Вселенной и её происхождение, образование галактик.


Свойства однородности и изотропии, присущи Вселенной в большом масштабе, намного превышающем размер галактик и их скоплений. Данные наблюдений не противоречат представлению о том, что и в далёком прошлом, когда вещество существовало ещё в виде плазмы, условия однородности и изотропии, характерные для фридмановской космологической модели, выполнялись с большой точностью. С этих позиций современные гигантские неоднородности в виде галактик и их скоплений необходимо рассматривать как следствие развития весьма малых по амплитуде начальных возмущений, существовавших в прошлом.
В первой половине ХХ века Дж. Джинс изучал развитие возмущений в однородном веществе. Он использовал классические уравнения гидродинамики и ньютоновской теории тяготения. Он рассмотрел малые возмущения плотности, скорости и гравитационного потенциала в неподвижном и равномерно распределённом веществе. Эти возмущения удобно представлять в виде совокупности волн и представлять масштаб возмущения соответствующей длиной волны. Если в некоторой среде возникло сгущение, то гравитационные силы будут стремиться его увеличить, а силы упругости будут наоборот стремиться расширить среду и вернуть её в исходное состояние. Под действием этих противоположно направленных сил среда либо придёт в колебательное движение, либо будет испытывать монотонное движение. Характер движения зависит от соотношения между длиной волны возмущения и некоторым критическим масштабом, называемым джинсовской длиной волны λдж, которая зависит от параметров среды

λдж = vs/(Gρ)1/2,

где vs - скорость звука в среде, ρ - её плотность. Наряду с понятием джинсовской длины волны используется понятие джинсовской массы Mдж - массы, содержащейся в объёме дж/2)3.
В масштабах, меньших, чем λдж, и в объёмах с массой меньше Mдж имеют место колебания величин, вызывающих возмущения. Амплитуда этих колебаний убывает только из-за процессов рассеяния энергии. В случае, если масштаб возмущения превышает λдж, то преобладающую роль играют гравитационные силы и колебательный характер возмущений сменяется на монотонный, то есть, λдж определяет тот минимальный масштаб возмущения начиная с которого силы упругости вещества не в состоянии противостоять силам тяготения, что приводит к гравитационной неустойчивости среды.
Зависимость возмущения плотности от времени определяется уравнением второго порядка и потому содержит два независимых решения. При λ < λдж оба решения имеют осцилляционный характер. При λ > λдж одно из решений соответствует нарастанию возмущения со временем, а второе - его уменьшению, то есть начальное возмущение может либо неограниченно нарастать, либо уменьшаться до нуля. Если начальные условия не выбираются специально, чтобы полностью исключить нарастание возмущений, то через некоторое время именно нарастание возмущений станет фактором определяющим эволюцию. При условии неподвижности вещества возмущения плотности имеют экспоненциальную зависимость от времени. В космологических задачах необходимо учитывать расширение вещества со временем, что приводит к степенному закону нарастания возмущений. Если плотность вещества такова, что скорость звука становится сравнимой со скоростью света, то ньютоновская теория гравитационной неустойчивости перестаёт быть справедливой. В этом случае λдж в расширяющемся мире сравнима с расстоянием до горизонта.
Релятивистская теория малых возмущений однородных изотропных космологических моделей была развита в 1946 году Е. М. Лифшицем. Произвольные возмущения гравитационного поля и вещества, заполняющего мир можно разбить на три типа, каждый из которых включает возмущения гравитационного поля, но не каждый возмущения плотности вещества и его скорости. Первый тип возмущений включает в себя возмущения плотности и продольной (но не вихревой) скорости. Во втором типе нет возмущений плотности, но есть возмущения вихревой скорости. Третий тип возмущений (отсутствующий в ньютоновской теории) характеризуется тем, что в нём нет ни возмущений плотности, ни возмущений скорости, а есть только возмущения гравитационного поля - гравитационные волны. Для теории образования гигантских неородностей вещества - галактик и их скоплений - особенно важен первый тип возмущений. Из анализа всех типов возмущений в нестационарном расширяющемся мире следует, что возможны возмущения, которые которые не нарастают со временем, хотя вблизи сингулярности могут принимать сколь угодно большие значения. Но среди возмущений плотности есть и такие, которые нарастают с течением времени, а при t→0 остаются малыми. Это означает, что в ранние эпохи, например в эпоху нуклеосинтеза, отклонения от однородности и изотропии могут оставаться малыми, и, следовательно, они не влияют на выводы, полученные в рамках фридмановских космологических моделей. Именно этот тип возмущений обычно используется в основе теоретических схем образования наблюдаемой структурности Вселенной.
Среднее расстояние между галактиками в современную эпоху примерно в 100 раз превышает их размеры. Это означает, что в эпоху, когда масштаб Вселенной был в 100 раз меньше нынешнего галактики должны были бы «соприкасаться краями», а до этого галактики и их скопления заведомо не могли существовать в их нынешнем виде. Высокая степень изотропии реликтового излучения в угловых масштабах, соответствующих линейным размерам скопления галактик, свидетельствует о весьма малой неоднородности догалактического вещества в эпоху рекомбинации. Это один из наиболее важных аргументов в пользу убеждения в образовании наблюдаемой структурности из малых по амплитуде возмущений, существовавших в эпоху рекомбинации и развившихся в дальнейшем в силу гравитационной неустойчивости.
Происхождения и характер возмущений, существовавших на дорекомбинационной стадии, ещё недостаточно ясны. Простейшей гипотезой является гипотеза первичных адиабатических возмущений, в которых вещество и излучение возмущены вместе. Эта гипотеза является естественным следствием теории очень ранней Вселенной. При t = 0 возмущение полной плотности δρ/ρ = 0 и нарастает со временем. Сопровождающее его возмущение гравитационного поля мало, хотя и не равно нулю при t = 0.
Мелкомасштабные адиабатические возмущения рано или поздно попадают в режим, когда существенными становятся диссипативные процессы, ведущие к затуханию движения вещества. Поэтому к моменту рекомбинации мелкомасштабные возмущения затихают, а остаются только крупномасштабные, охватывающие массу в 1013 - 1014 солнечных масс. В послерекомбинационную эпоху такие возмущения могут беспрепятственно возрастать. Наряду с ними после рекомбинации могли бы развиваться возмущения значительно меньших масштабов. Это связано с тем, что в период рекомбинации (Т ≈ 4000 К, t ≈ 106 лет) упругость среды резко падает, так как фотоны перестают взаимодействовать с нейтральным веществом, и лишь давление газа противостоит гравитационным силам. В результате после рекомбинации джинсовская масса уменьшается до 105 - 106 солнечных масс - значений характерных для карликовых галактик и больших шаровых звёздных скоплений. Движение вещества, практически не обладающего давлением, должно приводить к образованию плоских уплотнений, в которых один из размеров (толщина) много меньше двух других. При произвольных начальных условиях, характеризующих движение элемента объёма сплошной среды с нулевым давлением в общем случае под действием гравитационных сил он сжимается в блин, в то время как сжатие в нить или в точку требует специального выбора начальных данных. Предполагается, что в образовавшихся в период, когда масштаб Вселенной был меньше нынешнего в 3 - 10 раз, уплотнениях нейтрального газа (в масштабах протоскоплений галактик) происходят различные тепловые и гидродинамические процессы, ведущие к фрагментации протоскоплений на облака газа и протогалактики, в которых образуются звёзды. Совокупность всех протоскоплений должна проявляться в виде ячеистого распределения вещества в Метагалактике с типичным размером ячейки того же порядка, что и наибольший размер отдельных протоскоплений. Согласно результатам наблюдений действительно прослеживаются следы такой ячеистой структуры.
Наряду с теорией образования галактик из адиабатических возмущений существует теория, исходящая из первоначальных энтропийных возмущений.

Дополнительно можно посмотреть здесь: ГалАКтиКА
Астронет. Модель инфляционной Вселенной
Астронет.Космология
Астронет.Строение и эволюция Вселенной
Википедия. Происхождение Вселенной
Рекомендации Друзья