Происхождение и развитие галактик и звезд

Звезды – это огромные раскаленные солнца, но столь удаленные от нас по сравнению с планетами Солнечной системы, что, хотя они сияют в миллионы раз ярче, их свет кажется нам относительно тусклым. Звезды – мощные источники энергии. Их вещество представляет собой плазму, т.е.оно находится в ином состоянии, чем вещество в привычных для нас земных условиях. Плазма – это четвертое (наряду с твердым, жидким и газообразным) состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрицательные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга. ...

Звезды – это огромные раскаленные солнца, но столь удаленные от нас по сравнению с планетами Солнечной системы, что, хотя они сияют в миллионы раз ярче, их свет кажется нам относительно тусклым. Звезды – мощные источники энергии. Их вещество представляет собой плазму, т.е.оно находится в ином состоянии, чем вещество в привычных для нас земных условиях. Плазма – это четвертое (наряду с твердым, жидким и газообразным) состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрицательные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга.

Звезды – это огромные раскаленные солнца, но столь удаленные от нас по сравнению с планетами Солнечной системы, что, хотя они сияют в миллионы раз ярче, их свет кажется нам относительно тусклым. Звезды – мощные источники энергии. Их вещество представляет собой плазму, т.е.оно находится в ином состоянии, чем вещество в привычных для нас земных условиях. Плазма – это четвертое (наряду с твердым, жидким и газообразным) состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрицательные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга.

Предполагается, что образование новой и сверхновой звезды, когда она увеличивается в объеме, сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяет энергию, светя, как миллиарды солнц, является одной из стадий эволюции нейтронных звезд. Затем, исчерпав ресурсы, звезда тускнеет, а на месте вспышки остается газовая туманность.
Если звезда имела сверхкрупные размеры, то в конце ее эволюции частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же падают обратно из-за сил гравитации, то есть образуется «черная дыра», переходящая затем в «белую дыру».черные дыры являются релятивистскими объектами – объектами, в окрестности которых особенно выпукло проявляются следствия из общей теории относительности Эйнштейна.
Таким образом, процесс эволюции звезд можно представитьсхемой:
Одна из задач современной астрономии – понять, как образовались галактики и как они эволюционируют. Во времена Эдвина Хаббла было заманчиво верить в то, что типы галактик соответствуют разным стадиям их развития. Однако эта гипотеза оказалась неверной, и задача реконструкции историй жизни галактик оказалась трудной. Самой же трудной оказалась проблема первоначального происхождения галактик.
Природа Вселенной в те времена, когда еще не существовали галактики, неизвестна, и приписываемые ей гипотетические характеристики в значительной степени зависят от выбираемой космологической модели. Большинство принятых в настоящее время космологических моделей предполагает общее расширение, начиная с нулевого момента времени (сразу же после которого Вселенная имеет исключительно высокую плотность и температуру). Физические процессы, описывающие первичный взрыв в этих моделях, могут быть довольно надежно прослежены до момента, когда плотность и температура становятся достаточно низкими, чтобы стало возможным образование галактик.
Примерно 1 миллион лет понадобился для того, чтобы Вселенная расширилась и остыла настолько, что вещество стало играть в ней важную роль. До этого преобладало излучение и сгустки вещества, такие как звезды или галактики, не могли образовываться. Однако, когда температура стала равной примерно 3000 К, а плотность около 10-1 г/см3 (значительно меньше плотности земной атмосферы, но по меньшей мере в миллиард раз больше современной плотности Вселенной), вещество, наконец, смогло формироваться. В это время в достаточных количествах могли образовываться лишь атомы водорода и гелия.
Хотя можно представить несколько механизмов образования галактик из этого водородно-гелиевого газа, найти хотя бы одну модель, работающую в вероятных условиях ранней Вселенной, трудно. Очень мало резонов для образования галактик в расширяющейся Вселенной с однородным распределением температуры и вещества. В такой идеализированной Вселенной никогда не будет галактик. Существование галактик во Вселенной и видимое преобладание их как формы вещества говорят о том, что догалактическая среда никак не напоминала такое идеализированное газовое облако. Вместо этого должны были существовать какие-то неоднородности.
Допустим, в ранней Вселенной происходили ничтожно малые флуктуации плотности (локальные увеличения плотности (либо одного вещества, либо как вещества, так и излучения) в ранней Вселенной. Чтобы объяснить последующее образование галактик, необходимо считать, что в начале эти флуктуации были очень малы). Как должны эволюционировать эти флуктуации в ходе расширения? Предполагается, что расширение Вселенной должно было оказывать стабилизирующее действие на такие неоднородности. Процесс расширения должен был в значительной мере препятствовать воздействию тех сил, которые в отсутствие расширения могли бы привести к катастрофическим последствиям. Статистическая Вселенная, в которой имеются области с избыточной областью, была бы в высшей степени неустойчива по отношению к локальному сжатию или расширению. Однако в расширяющейся Вселенной образование локальных областей повышенной плотности приводит лишь к появлению медленно изменяющихся возмущений.
В ранние времена, вновь образовавшиеся плотные области должны были бы иметь большую плотность, чем сегодняшние галактики. Расширение в значительной степени замедляет процесс роста малых флуктуаций. Тем не менее флуктуации продолжали расти в течение очень длительного времени, и даже незначительная начальная неоднородность могла вырасти настолько, что в конце концов произошло бы ее сжатие. В области, имеющей небольшой избыток вещества по сравнению с окружающим пространством, локальное гравитационное поле несколько возрастает, порождая силу, которая действует на прилегающие области.
В качестве причины появления неоднородностей пытаются, например, рассматривать рождение пар частиц вблизи к сингулярности (области пространства-времени, в которой нарушаются известные физические законы, и кривизна пространства-времени становится бесконечной). Можно было бы отнести возникновение начальной неоднородности к плановскому моменту, который очень близок к моменту сингулярности, когда вполне могло бы происходить рождение вещества.
Если какое-то количество вещества возникло в то же время, то почему бы не предположить и дальнейшее возникновение вещества в виде огромных сгустков или даже черных дыр? Возможно, скопления черных мини-дыр, которые могли образоваться в первую миллисекунду, и обеспечили те начальные флуктуации, вокруг которых сформировались галактики.
Другую возможность предлагает физика элементарных частиц, постулирующая существование в ранней Вселенной тяжелых барионов. Эти сверхмассивные элементарные частицы рано или поздно распадаются, оставляя заметные неоднородности в плотности вещества. В качестве еще одной возможности рассматривают фазовый переход (изменение состояния), который мог происходить в ранней Вселенной.
Согласно революционному подходу, первоначально во Вселенной царил всеобъемлющий хаос, и расширение было в высшей степени анизотропным (зависимым от направления) и неоднородным. Для больших неоднородностей коллапс, приводящий к образованию черной дыры, всегда неизбежен, поскольку даже свет удерживается гравитационным полем такой неоднородности. (Коллапс – явление, когда звезда начинает с огромной скоростью сжиматься, одновременно уплотняясь. За каких-нибудь несколько секунд звезда может превратиться в сверхплотную «точку»).
Анизотропия – это несколько иная черта хаотической ранней Вселенной. Вселенная могла расширяться в одних направлениях значительно быстрее, чем в других. Она могла даже расширяться в одном направлении, одновременно сжимаясь в другом. Поверхность сферы, на которой первоначально располагалась какая-то группа частиц, могла деформироваться в блинообразную или сигарообразную поверхность, а затем различные конфигурации могли превращаться друг в друга. Революционный подход допускает, что явление, аналогичное трению, могло оглаживать анизотропию в ранней Вселенной, приводя тем к обычному изотропному расширению.
Это «трение» пытаются объяснить существованием огромного числа нейтрино. Нужно понять, каким образом эти частицы, распространяющиеся со скоростью света, могли играть столь важную роль в ранней Вселенной. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом. Однако в первую секунду жизни Вселенной плотность вещества была на столько велика, что нейтрино полностью поглощались атомными ядрами. В те мгновения нейтрино, поглощаясь веществом, могли оказывать существенное давление на вещества Вселенной (подобно тому, как свет оказывает давление на пылинки). Если первоначально расширение Вселенной было в значительной степени анизотропным, то воздействие нейтрино стремилось бы сгладить начальную анизотропию и сделать расширение более однородным и изотропным. По мере расширения Вселенной нейтрино менее эффективно поглощаются веществом. Сразу после того, как произойдет аннигиляция электронов и позитронов, нейтрино совсем перестают взаимодействовать с окружающим веществом.
Первоначальные крупномасштабные возмущения, возможно, оказывали действие, напоминающее действие брошенных в водоем камней, которые вызывают волнение на поверхности воды. По аналогии можно представить себе волны (реальные звуковые волны), распространяющиеся в поле излучения в ранней Вселенной. Звуковые волны возникают из-за изменения давления. И лишь в том случае, когда возмущение оказывалось достаточно крупномасштабным, силы самогравитации в локальной области брали верх над направленным наружу давлением излучения, и тогда должен был происходить коллапс с образованием черной дыры.
В периоды, предшествовавшие эпохе отделения излучения от вещества, давления излучения в локальной области с повышенной областью было весьма велико. Однако после отделения излучения от вещества излучение стало свободно распространяться через вещество (почти целиком состоящее из атомов), оказывая на него очень слабое давление. Резкое повышение давление могло привести к взрыву или коллапсу больших областей. Это в свою очередь могло вызвать образование ударных волн, в которых происходило бы сжатие газа. Резкое сжатие вызвало бы гравитационный коллапс и в конце концов привело бы к образованию галактик.
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 шалым и плотным. Характерный размер возмущений плотности, которые являются только слегка неустойчивыми, называется джинсовой длиной и, как было установлено, она зависит от скорости звука в среде, постоянной тяготения и плотности вещества.
Джинсовская масса определяется как массой 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.
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 равным и равно сейчас количеству антивещества, то современное существование вещества и антивещества в изолированных облаках 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 избыток одного из них над другим, часть вещества или антивещества остается. 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.
Более вероятная гипотеза утверждает, что вначале количество вещества немного превосходило количество антивещества. Тогда большая часть вещества должна была проаннегилировать с антивеществом на ранних космических фазах при высокой плотности, оставив купающуюся в лучах света Вселенную 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 Гаммовым, гравитационные силы могут усиливаться «симулированной гравитацией», создаваемой в ранней истории 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.
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 снижения, 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 до 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 космическому масштабу время такой объект исчезнет. 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 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. Для того чтобы сжатие было возможным, кинетическая, магнитная и гравитационная энергии должны быть соответствующим образом сбалансированы. 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 2.10-7 гаусс.
Магнитная энергия, возрастающая при сжатии облака, никогда не превышает гравитационную энергию, если она была меньше гравитационной энергии в начальный момент. В некоторый момент радиус облака становится достаточно малым, чтобы энергия вращения уравновесила гравитационную энергию – это определяет гравитационный предел. При другом критическом размере из газа конденсируются звезды и начинается быстрый переход от газового облака к галактике, состоящей из звезд. Окончательная судьба сжимающегося облака зависит от соотношения критических радиусов. В зависимости от того, какой из них наибольший, появляются три интересные возможности.