Возникновение структуры Вселенной.

Одна из важнейших особенностей Вселенной — ее структурность — наличие отдельных взаимодействующих элементов физической материи и их систем. Структурность Вселенной проявляется и в микро- и в макромире: от масштабов элементарных частиц материи (меньше 10^-13 см) до гигантских сверхскоплений галактик (размеры которых достигают десятков и сотен миллионов световых лет). Для структуры Вселенной характерна иерархическая последовательность все более сложных систем. Элементарные частицы составляют атомные ядра и атомы разной степени сложности, те в свою очередь объединяются в небесные тела—планеты, звезды, облака газа, а звезды и планеты—в системы небесных тел. Следующие по сложности структурные единицы—галактики и скопления галактик.

Эти надежные факты о строении Вселенной ставят перед наукой ряд вопросов, из которых мы выделим два принципиальных:

1. Простирается ли иерархическая лестница все более сложных систем до бесконечности? Иначе говоря, существуют ли системы небесных тел сколь угодно большого размера —сверх, сверх, сверх... скопления галактик?

2. Как, когда и почему возникла именно наблюдаемая сегодня структурность Вселенной?

В решении этих вопросов, имеющих мировоззренческое значение, наука достигла больших успехов. Выдающийся вклад в их решение сделан советскими учеными.

Чтобы ответить на этот вопрос, надо исследовать распределение вещества во все больших пространственных масштабах. Для решения вопроса о степени однородности Вселенной в больших масштабах астрофизики используют реликтовое электромагнитное излучение. Это излучение возникло в далеком прошлом, около 15 миллиардов лет назад, в начале расширения Вселенной, когда не было отдельных звезд и галактик, а все вещество представляло собой высокотемпературную плазму.

В ходе расширения Вселенной излучение остыло и сегодня его температура около 3 К. Максимум интенсивности реликтового излучения соответствует длинам волн в доли миллиметра. Эти сверхкороткие радиоволны свободно, практически без поглощения, приходят к нам сегодня с самых больших расстояний. Интенсивность реликтового излучения одна и та же по всем направлениям на небе, что свидетельствует об удивительной одинаковости свойств Вселенной во всех направлениях.

До сих пор с уверенностью удалось зафиксировать лишь незначительное увеличение интенсивности реликтового излучения в направлении на созвездие Льва и ослабление в противоположной половине неба. Этот факт объясняется движением Солнечной системы в направлении созвездия Льва со скоростью 390 км/с относительно совокупности галактик. Из-за эффекта Допплера излучение, приходящее к нам с этих участков неба, оказывается более интенсивным. Как же можно с помощью реликтового излучения получать сведения о распределении материи в самых больших масштабах?

Предположим, что в масштабах, сравнимых со всей доступной наблюдению частью Вселенной, имеются заметные неоднородности распределения вещества—какие-то сверхскопления галактик. Тогда эти скопления должны создавать значительное гравитационное поле. Реликтовое излучение, родившееся в далеком прошлом в области таких сгущений, должно поступать к нам ослабленным. Дело в том, что, согласно общей теории относительности Эйнштейна, излучение, выходящее из области повышенного гравитационного поля, ослабляется, краснеет— испытывает гравитационное красное смещение. Этот эффект весьма точно измерен в лабораторных экспериментах.

Следовательно, если бы во Вселенной существовали заметные сгущения вещества очень большого масштаба, то из областей неба, соответствующих направлениям на эти сгущения, реликтовое излучение приходило бы к нам несколько ослабленным, мы видели как бы «пятна» пониженной интенсивности реликтового излучения на небе. Тщательные поиски подобных «пятен», проведенные, в частности, на радиотелескопе РАТАН-600, оказались безуспешными.

Расчеты показывают, что если бы в масштабах порядка миллиарда световых лет существовали сгущения с превышением в них плотности материи над средним уровнем хотя бы на 10%, то в интенсивности реликтового излучения появились бы «пятна», которые уверенно обнаружили бы современные радиотелескопы. Значит, в масштабах порядка миллиарда световых лет и больше заведомо нет сколь-нибудь заметных сгущений вещества. Таким образом, иерархическая лестница все более сложных систем небесных тел не простирается до бесконечности, она обрывается сверху.

Крупнейшие структурные единицы Вселенной—крупные скопления или сверхскопления галактик, имеющие размер до сотни миллионов световых лет. В больших масштабах распределение вещества во Вселенной однородно.

В изучении характерных особенностей сверхскоплений галактик велики заслуги советских астрофизиков и, в частности, астрофизиков Тартуской астрофизической обсерватории АН ЭССР. Они обнаружили, что в сверхскоплениях галактики расположены преимущественно в тонких слоях, образующих как бы стенки ячеек, внутренности же ячеек почти пустые. К аналогичным выводам пришли и американские астрофизики.

Наблюдения реликтового излучения показывают, что в самом начале расширения Вселенной горячая расширяющаяся плазма была почти строго однородной и только в эпоху, сравнительно близкую к нам, она распалась на отдельные «комки», из которых впоследствии возникли галактики, их скопления и другие небесные тела. Если бы в начале расширения в горячей плазме существовали заметные сгущения, масса которых равнялась бы массе галактики или скопления галактик, то в сгущениях была бы и заметно большая температура.

Реликтовое излучение, родившееся в этих горячих комках, приходило бы к нам сегодня с интенсивностью выше среднего уровня, и мы видели бы «горячие» пятнышки в распределении по небу реликтового излучения. Размеры таких пятнышек, как следует из расчетов, несколько угловых минут и более. Но таких пятнышек астрофизики не обнаружили. Значит, больших (по амплитуде) сгущений в плазме не было.

Однако небольшие (по амплитуде) неоднородности в плазме все же должны были существовать. Действительно, идеально однородный газ никогда бы не распался на отдельные комки и не возникли бы небесные тела. Эти небольшие неоднородности в горячем газе были звуковыми волнами (аналогично тому, как небольшие неоднородности в воздухе вызывают звуковые колебания). Пока в самом начале расширения Вселенной газ был очень горячим, он был ионизован и непрозрачен для реликтового излучения.

Огромное давление излучения препятствовало развитию малых сгущений в более плотные комки под действием сил собственного тяготения. Спустя миллион лет после начала расширения, газ охладился настолько, что из ионизованного стал нейтральным, прозрачным для реликтового излучения. Давление излучения уже не препятствовало росту неоднородностей под действием сил тяготения, и эти неоднородности, увеличиваясь, привели к распаду газа на отдельные комки, которые затем развились в скопления галактик, галактики и другие небесные тела. Такова наиболее вероятная картина образования структуры Вселенной.

Согласно расчетам, маленькие неоднородности газа успеют вырасти и сформировать к нашему времени галактики, если в эпоху, когда охлаждающийся газ стал нейтральным (через миллион лет после начала расширения), амплитуда «затравочных» звуковых колебаний составляла примерно 10 от среднего значения плотности. И вот здесь теоретики столкнулись с трудной проблемой:

откуда взялись эти «затравочные» звуковые волны в горячем газе?

Конечно, в любом горячем газе вследствие случайного движения атомов возникают малые хаотические неоднородности. Более того, в любом веществе обязаны существовать малые неоднородности из-за квантовых свойств материи. Но расчеты показали, что и первичные температурные неоднородности, и квантовые неоднородности совершенно ничтожны в масштабах, охватывающих массу галактики или скоплений галактик.

Эти неоднородности на много порядков меньше по амплитуде, чем требуемое для объяснения происхождения крупномасштабной структуры Вселенной значение амплитуды неоднородностей 10^-5. Нужно было найти какой-то механизм предварительного усиления ничтожных квантовых и термических неоднородностей космической плазмы. Представим полость с газом, в котором есть звуковые волны. Если увеличивать объем резонатора, то звуковые волны, попавшие в «такт» этому изменению могут при некоторых условиях усилиться. Нечто подобное происходило в прошлом и в расширяющейся горячей Вселенной, поскольку параметры газа в ней изменялись.

Общим и для Вселенной, и для замкнутого резонатора с газом является «параметрический резонанс»—усиление волн, попадающих в «такт» изменению параметров системы. Кстати, это же происходит, когда мы раскачиваемся на качелях, приседая в такт движению качелей.

Во Вселенной «в такт» с темпом расширения газа попадают все возмущения. Значит, все крупномасштабные неоднородности были усилены по амплитуде и, как показывают расчеты, при некоторых условиях могли оказаться достаточно большими, чтобы образовать зародыши галактик в расширяющейся Вселенной.

Теперь нам предстоит ответить на следующий вопрос: если усиливаются все крупномасштабные возмущения, то почему возникают скопления галактик именно с наблюдаемыми характерными массами и размерами? Как следует из опытов, выполненных в Институте теоретической и экспериментальной физики в Москве, масса электронных нейтрино (6*10^^-32 г) примерно в 20000 раз меньше массы электрона, в несколько десятков миллионов раз меньше массы протона. Если эти выводы подтвердятся, то они окажут самое сильное влияние на наше понимание строения Вселенной.

Дело в том, что нейтрино во Вселенной очень много, гораздо больше, чем тяжелых частиц, из которых состоит обычное вещество. Это— реликтовые нейтрино, оставшиеся от эпохи горячей плазмы, когда нейтрино интенсивно рождались при бурных превращениях элементарных частиц. На одну тяжелую частицу во Вселенной (практически на каждый протон, так как водород — главный химический элемент Вселенной) приходится около миллиарда нейтрино.

И хотя каждое нейтрино в десятки миллионов раз легче протона, в сумме миллиард нейтрино обладают массой, раз в тридцать большей, чем масса протона. Значит, по массе нейтрино примерно в 30 раз превышает массу обычного вещества во Вселенной! Энергия этих реликтовых нейтрино столь мала, что они практически не взаимодействуют с обычным веществом и могут быть обнаружены лишь благодаря силам тяготения, создаваемым их суммарной массой.

Теперь совершенно ясно, что при рассмотрении процесса образования галактик, возникающих из первичных комков вещества, надо учитывать тяготение нейтрино.

Попробуем нарисовать картину возникновения крупномасштабной структуры Вселенной. В самом начале расширения Вселенной очень небольшие случайные неоднородности распределения материи (включая нейтрино) были усилены «параметрическим резонансом». Эти затравочные неоднородности в обычном горячем веществе превратились в звуковые колебания. Иначе обстояло дело с неоднородностями распределения нейтрино.

В начале расширения Вселенной нейтрино имели большую энергию, двигались со скоростью, почти равной световой, и поэтому могли свободно выходить из небольших по размерам сгущений. Эти нейтрино перемешивались с другими, пришедшими из соседних областей, и постепенно неоднородности в распределении нейтрино выравнивались. Чем больше проходило времени, тем большие по размеру неоднородности в распределении нейтрино успевали «рассосаться». Процесс «рассасывания» неоднородностей продолжался до тех пор, пока скорости нейтрино были близки к световой. По мере расширения Вселенной скорости нейтрино уменьшались и спустя 300 лет после начала расширения стали заметно меньше световой.

Начиная с этого момента оставшиеся сгущения нейтрино достаточно большого размера уже не рассасывались, так как медленные нейтрино не успевали из них вылететь. Сгущения нейтрино медленно нарастали под действием сил собственного тяготения, затем нейтринная среда распадалась на отдельные сжимающиеся облака, в которых нейтрино удерживались их суммарным полем тяготения. Согласно расчетам, масса этих облаков примерно 10¹⁵ солнечных. Так возникали крупнейшие структурные единицы Вселенной. Эти нейтринные облака, разумеется, невидимы, но обладают полем тяготения.

Что же происходило с обычным веществом, которое мы сегодня наблюдаем? Когда вещество Вселенной было плазмой, непрозрачной для излучения, давление излучения препятствовало образованию сгущений, увеличению неоднородностей в плазме. Но через миллион лет после начала расширения газ стал нейтральным, давление в нем резко упало и в поле тяготения возникающих массивных облаков нейтрино формируются сгущения газа. Это обычное вещество, сосредотачиваясь в центральных частях невидимых нейтринных облаков, развивалось затем в большие скопления или сверхскопления галактик, которые мы сегодня наблюдаем. Масса нейтринных облаков около 10¹⁵ солнечных.

Суммарная масса галактик в больших скоплениях должна быть в несколько десятков раз меньше, около 3*10¹³ солнечных, что близко к наблюдаемым значениям. Подчеркнем, что в этой картине проясняется еще одна загадка, долго волновавшая астрофизиков. Давно подозревалось наличие в скоплениях галактик какой-то невидимой массы, тяготение которой разгоняет галактики в скоплениях до больших скоростей. Теперь становится очевидным, что эта невидимая масса, вероятно, сосредоточена в нейтрино, собранных в облако. В его центральных частях и образуются видимые галактики.

Таковы в самых общих чертах представления о возникновении крупномасштабной структуры Вселенной. Конечно, не все стороны этого грандиозного процесса окончательно выяснены и проанализированы, многое еще предстоит сделать. Это — передний край науки.