Формирование галактик

Формирование галактик. 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 неизменными 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 всему 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 также 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 так далее и тому подобное перемещаются относительно эфира, входящего в состав тех или иных гравитационно-значащих объектов. Не достигшие гравитационной значимости объекты не располагают собственным гравитационным полем; они лишь вносят тот или иной вклад в гравитационное поле того массивного объекта, в 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 неподдающееся 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.

Под воздействием обладающей перевесом потенциальной энергии эфира входящее 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, 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 - ядро; как фрагментарное образование она сжимается в каждом из своих фрагментов. Последние точно по тому 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 всё 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. 2. Неустойчивость Большинство попыток найти способы конденсации вещества Вселенной в галактики основаны на гипотезе, впервые подробно разработанной сэром Джеймсом Джинсом. Хотя сейчас принимается, что в ранней Вселенной газ расширялся в соответствии с релятивистской космологической моделью, идеи Джинса основывались на более простой ньютоновской модели Вселенной, где гравитационная неустойчивость возникает, когда сгусток более плотного вещества (называемый возмущением) становится достаточно малым и плотным. Характерный размер возмущений плотности, которые являются только слегка неустойчивыми, называется джинсовской длиной и, как было установлено, она зависит от скорости звука в среде, постоянной тяготения и плотности вещества.

Джинсовская масса определяется как масса вещества, которая может стать неустойчивой и начать сжиматься под действием собственного гравитационного поля. Согласно расчетам, в начале "эры вещества" джинсовская масса составляет около 105 солнечных масс, и, таким образом, в этот момент истории Вселенной возмущения с такими массами и больше (что включает все известные галактики) должны были стать неустойчивыми и сжаться.

Простая модель Джинса не позволяет исследовать ситуацию во время "эры излучения", так как в этом простом анализе не учитывается влияние давления излучения на газ. Однако несколько астрономов и космологов исследовали более сложный случай при наличии излучения, и результаты приблизительно согласуются с результатами, полученными с использованием более простых моделей.

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. 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. 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. 3. Сжатие После достижения индивидуальными протогалактиками гравитационной выделенности через какую-либо форму неустойчивости в догалактическом газе они коллапсируют с образованием галактик значительно меньших размеров и с большими плотностями, оставляя промежуточное пространство почти пустым.

Реальный процесс сжатия можно исследовать лишь при помощи теоретического моделирования. Еще не открыта галактика, о которой с уверенностью можно сказать, что она молода по сравнению с оценкой возраста Вселенной, и таким образом, нет объекта, наблюдаемого в стадии сжатия. Вместо этого надо исследовать те ключи к пониманию состояния среды до сжатия, которые можно извлечь из современных характеристик галактик и из их прошлого, наблюдая объекты на больших расстояниях. Можно также подходить к этой проблеме, предлагая правдоподобные начальные условия и производя вычисления, чтобы посмотреть, можно ли прийти к реалистичной картине в результате сжатия исходной протогалактики.

Начальные условия, с которых мы должны начинать эти вычисления, включают массу галактики, ее угловой момент, размеры, температуру, химические характеристики, магнитное поле и внутренние турбулентные движения. Рассмотрим простейшее начальное состояние, в котором свойства протогалактики таковы, что она является холодной, полностью однородной по плотности, совершенно сферической и без турбулентных движений, магнитного поля и внешних воздействий.

Для объекта, сравнимого по массе с Млечным Путем, порядка 1011 масс Солнца, такой набор начальных условий приводит к совершенно не остановимому коллапсу. Гравитационный потенциал такого объекта достаточно велик, чтобы никакой физический процесс не мог остановить его коллапс в массивную черную дыру, и вычисления показывают, что за короткое по космическим масштабам время такой объект исчезнет.

Объект переходит через предел Шварцшильда, представляющий собой границу, определяемую в рамках общей теории относительности и возникающую при сжатии массивного тела до столь малых размеров и громадных плотностей, что свет больше не может уйти от него. Объект исчезает для внешнего наблюдателя и наблюдается лишь его гравитационное поле. Таким образом, простейшие начальные условия вообще не приводят к образованию галактики. Более разумный набор начальных условий следующий: в ходе одного из рассмотренных выше процессов газовое облако уже сжалось до такой степени, что оно стало устойчивым, несмотря на расширение окружающей Вселенной; пусть это будет плотность около 10-28 г/см3. Если принять массу равной 1011 солнечных масс, то указанная плотность дает для сферического облака начальный радиус около 200 кпк (против 30 кпк - типичного радиуса для этой массы после сжатия). Для того чтобы сжатие было возможным, кинетическая, магнитная и гравитационная энергии должны быть соответствующим образом сбалансированы.

Другие начальные условия, необходимые для начала сжатия, следующие: скорость вращения должна быть мала - менее 40 км/с, температура - меньше 2-105 К и напряженность магнитного поля должна быть разумно мала - меньше 2-107 гаусс.

Если распределение плотности облака остается однородным в ходе сжатия, то гравитационная энергия возрастает обратно пропорционально уменьшающемуся радиусу. С другой стороны, температура остается примерно одинаковой до тех пор, пока плотность вещества не станет настолько большой, что оно станет оптически толстым для излучаемых длин волн. До того, как это произойдет, тепловая энергия (величина энергии движения частиц газа, т. е. температура) газового облака не зависит от радиуса, но после достижения критического значения плотности тепловая энергия при уменьшении радиуса начинает сильно возрастать.

Тепловая энергия может остановить сжатие лишь, когда радиус меньше этого критического значения - теплового предела.

Пока размеры облака больше, турбулентная энергия не важна, так как она быстро рассеивается. Аналогично, магнитная энергия, возрастающая при сжатии облака, никогда не превышает гравитационную энергию, если она была меньше гравитационной энергии в начальный момент. В некоторый момент радиус становится достаточно малым, чтобы энергия вращения уравновесила гравитационную энергию - это определяет вращательный предел. При другом критическом размере из газа конденсируются звёзды, и начинается быстрый переход от газового облака к галактике, состоящей из звезд.

Это конденсационный предел. Окончательная судьба сжимающегося облака зависит от соотношения этих трех критических радиусов. В зависимости от того, какой из них наибольший, появляются три интересные возможности. Если наибольший радиус соответствует вращательному пределу, то сжатие останавливается вращением. Однако центробежные силы ограничены плоскостью вращения, так что сжатие в направлении, перпендикулярном этой плоскости, продолжается до образования тонкого диска.

Этот диск выделяется формой и наличием вращения - это спиральная галактика. В случае, если наибольшим является конденсационный, предел, звездообразование начинается до того, как эффекты вращения становятся важным фактором торможения сжатия. По мере роста плотности темп звездообразования увеличивается, и большая часть газа проходит через этот процесс. В этом случае, когда сжатие останавливается на соответствующем пределе, для эффективной диссипации энергии почти не остается газа или его остается очень мало. Поэтому диск не образуется.

Согласно энергетическим условиям, объект должен после этого несколько расшириться до достижения радиусом другого критического значения. Орбиты звезд будут таковы, что галактика станет почти сферической - в зависимости от величины и распределения начального углового момента. С этими свойствами почти сферической формой, отсутствием газа и большим количеством звезд, образовавшихся вблизи начала его существования, объект явно будет эллиптической галактикой.

В третьем случае, когда ни вращательный, ни конденсационный предел не являются достаточно большими, чтобы остановить сжатие, облако все уменьшается и уменьшается, пока не образуется сверхмассивный звездообразный объект. Возможно, это будет черная дыра - невидимая и почти не обнаружимая. 4.