книги из ГПНТБ / Иноземцев, Г. Г. Незатылованные шлицевые червячные фрезы-1

от галактики с z =0,2, и спущено около 2 • 109 лет назад, когда галатика могла иметь иную светимость). Последние определения [25J q0 этим методом дают

Таким образом, q0 оказывается как раз вблизи границы водо­ раздела между разными фридмановскими моделями, и большая погрешность в определении q0 делает этот выбор крайне ненадеж­ ным. Использование же источников, находящихся в среднем на существенно больших г, где эффекты кривизны сильнее, невоз­ можно без знания эволюции источников. Эффекты эволюции извле­ каются из наблюдений квазаров и радиогалактик пока лишь в не­ известном сочетании с эффектами кривизны; выделение вклада кри­ визны станет возможным лишь при детально разработанной физи­ ческой теории этих источников.

Другой метод определения типа модели заключается в прямом сравнении р0 с р с . Величина р с дается формулой (1.21) и при су­ ществующей неопределенности (1.3а) в значении Я 0 :

Для вычисления плотности вещества, содержащегося в галактиках, определяют функцию светимости галактик (распределение галактик по светимостям), а затем при известном для галактик каждого типа отношении массы к светимости находят р0 . Многочисленные работы этого рода дают сильно различающиеся результаты; наиболее упот­ ребительно значение [115] [для Н0 = 75 км/(сек-Мпс)\

хотя оно, возможно, несколько занижено. В любом случае результат оказывается значительно ниже (1.37).

Между тем в любых возможных предположениях об образова­ нии галактик трудно допустить, чтобы все вещество сконденсирова­ лось в галактики, не оставив межгалактической диффузной среды. Рассмотрим, какую информацию о ней предоставляют наблюдения.

Г. М Е Ж Г А Л А К Т И Ч Е С К И Й Г А З

Многолетние поиски межгалактического газа пока не увенчались успехом. Имеются лишь многочисленные косвенные указания на его

48

Ввиду отсутствия заметного фотоэлектрического поглощения мягкого фонового рентгеновского излучения концентрация нейтраль­ ного гелия должна удовлетворять условию

Этот предел примерно вдвое выше, если гелий однократно ионизиро­ ван.

Ионизированный межгалактический газ. Ионизация и нагрев межгалактического газа могут осуществляться взрывами радио­ галактик [122, 123] или фоновым ультрафиолетовым и рентгенов-

ским излучением (см. гл. 6). Согласно работе [121], температура газа Т < 3 • Ю6 0 К для Q > 1, так как в противном случае его тор­ мозное излучение превысит наблюдаемое рентгеновское излучение.

Потери горячего газа в результате излучения показаны на рис. 13 [120]. Подобные расчеты излучения газа и их сопостав­ ление с наблюдаемым рентгеновским излучением проделаны в ра­

Наблюдаемое рентгеновское излучение от скопления Coma [20] можно интерпретировать как излучение облаков межгалактического

со средней плотностью, превосходящей плотность галактик (1.38), но прямые доказательства этого пока отсутствуют.

49

§ 1.5.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ГАЛАКТИК

В § 1.1 при описании принципиальных свойств наблюдаемой Вселенной указано, как это обычно и делается в книгах по космо­ логии, что Метагалактика имеет структуру (галактики и их скопления) только в малых масштабах, а в больших практически бесструктурна, близка к однородной и изотропной. Не следует за­ бывать, что одинаково важны обе половины этого утверждения, а не только вторая. Существование на приблизительно однородном космологическом фоне конденсированных форм материи в виде га­

проблемы происхождения галактик обоснованно связываются надеж­ ды проникнуть в сущность фундаментальных процессов Вселенной.

Астрономические наблюдения в сочетании с теорией внутренне­ го строения и эволюции звезд дают возраст самых старых звезд

разовались на какой-то стадии расширения Метагалактики, когда ее плотность была много больше современной средней плотности, а физические условия сильно отличались от сегодняшних. Следо­ вательно, вопросы образования галактик тесно переплетаются с проблемами структуры, динамики и эволюции всей Метагалак­

ность отличается от «размазанной» по пространству плотности их

ных, галактики не имели своей индивидуальности, а были «раство­ рены» (кроме, может быть, их ядер) в однородном фоне. В более далеком прошлом степень неоднородности следует ожидать еще мень­ шей. Однако она не могла быть исчезающе малой. Какие-то исход­ ные «зародышевые» неоднородности необходимы, чтобы, возвра­ щаясь в настоящее, можно было получить наблюдаемую картину галактик и их скоплений.

Следовательно, теория образования галактик в первую очередь должна выяснить: 1) физическую природу исходных возмущений;

50

2) механизм их перехода в галактики с указанием основных пара­ метров галактик (массы, углового момента, дисперсии хаотических скоростей, крупномасштабного магнитного поля) и основных пара­ метров скоплений галактик; 3) происхождение исходных возму­ щений.

Вопрос о возникновении галактик перерос в важную физичес­ кую проблему, особенно в связи с последним пунктом. Вслед, за статьей [125], ставшей классической, во многих работах дока­

ции). Если же начальные возмущения представляли определенную структурность с нетепловым спектром, ее природа и происхожде­ ние были неотделимы от физических свойств ранней Вселенной как целого, о которых по существу почти ничего не известно. Тем самым, решение вопроса о происхождении галактик хотя бы в общих чер­ тах будет содержать и принципиальную космологическую инфор­ мацию.

В этой связи представляет интерес исследование максимальноширокого класса пространственных возмущений, способных при­ вести к современной неоднородной Вселенной. Подробный анализ природы и ранней эволюции этих возмущений содержится в моно­ графии [66] и обзорах [126, 127]. По-видимому, все возможные возмущения сводятся к следующим основным типам: А) полной плотности (или давления) и соответствующих потенциальных ско­ ростей; Б) состава (в том числе энтропии; барионного заряда; электрического заряда, токов и соответствующих магнитных по­ лей); В) вихревой скорости.

Хотя эти возмущения могли длительно сосуществовать (как «изначально», так и в результате порождения одних другими), вряд, ли они играли равноправную роль в формировании наблюдаемых структур. Различия в представлениях об образовании галактик ос­ нованы на априорном предпочтении того или иного типа исходных возмущений. Такое положение, конечно, возможно лишь постоль­ ку, поскольку игнорируются те или иные требования к теории, вы­ текающие из обширного фактического материала. Поэтому, схема­ тически очертив различные подходы к теории образования галак­ тик, мы укажем и на трудности, с которыми они сталкиваются при попытке интерпретировать наблюдаемые явления.

А . Э В О Л Ю Ц И Я А Д И А Б А Т И Ч Е С К И Х В О З М У Щ Е Н И Й В О Ф Р И Д М А Н О В С К О Й К О С М О Л О Г И Ч Е С К О Й М О Д Е Л И

В мировой литературе до последнего времени наибольшее внима­ ние уделялось гипотезе о происхождении галактик из адиабати­ ческих или энтропийных возмущений. Поэтому мы сконцентрируем внимание на изложении эволюции именно этого типа возмущений.

51

Эволюция адиабатических возмущений (флуктуируют одновре­ менно плотности излучения рг и вещества рт при постоянной удель­ ной энтропии) и энтропийных, или изотермических возмущений (флуктуирует только р т при 8ТГ = 0, т. е. удельная энтропия) рассмотрена многими авторами и суммирована в цитированных выше обзорах. Она определяется конкуренцией между ростом под действием гравитационной неустойчивости и затуханием за счет диссипативных процессов. Темп того и другого зависит от масштаба возмущений и, кроме того, различен на интервалах, разделенных двумя переломными моментами, предшествующими обособлению неоднородностей от расширяющегося фона.

определяется соотношением между массой возмущения и так назы­

чи теперь определяемой только давлением газа, которое много мень­ ше радиационного.

(или соответственно потенциальные скорости, большие чем 10 км/сек) приведут к обособлению объектов со средней плотностью, превышаю­ щей наблюдаемую у нормальных галактик.

Изложенную простую картину эволюции адиабатических воз­ мущений в галактики существенно осложняет диссипативное зату­ хание возмущений. Для адиабатических возмущений основной вклад в затухание вносит диффузия квантов из областей повышенного

52

давления. В линейной теории к моменту trec экспоненциально затухают возмущения вплоть до М т 1O12Q~5/4A10. При учете затяж­ ного хода рекомбинации, в течение которой возмущения постепен­ но становятся прозрачными, затухание распространяется на еще большие массы до М х- 5 • 101 3 Q~'/2 УИ0 [128] (аналогичное зна­ чение получено в работе [129] численным интегрированием). Этот результат приводит к большим трудностям тех вариантов теории адиабатических возмущений, по которым вначале проис­ ходит обособление галактик, а затем формирование скоплений (см., например, работу [130]).

Действительно, в результате затухания возмущений столь больших масс, как 1О1 4 М0, амплитуда адиабатических возмущений

случае теории предстоит объяснить, почему средняя плотность скопления галактик резко падает с размером скопления, а у самих галактик почти одинакова независимо от массы [131]. Существо­ вание сверхскоплений (скоплений второго порядка) (см., напри­ мер, [132]), создают дополнительную трудность для гипотезы о более раннем обособлении возмущений наибольших масс.

Независимо от хода спектра возмущений в области наибольших масс образование галактик приходится рассматривать, ввиду диссипативного затухания возмущений галактических масштабов, как результат дробления гораздо больших масс, чем у галактик.

Очень трудным местом в теории адиабатических возмущений оказывается объяснение вращения галактик и их групп. Согласно данной идее, развитой в работе [133], угловой момент галактик приобретен на догалактической стадии в результате приливного гравитационного взаимодействия с окружающими протогалактиками. Расчеты [133] дают для углового момента Галактики J « 2 • 1073 г • см?!сек, что в 6—10 раз меньше наблюдаемого зна­ чения. В работах [134—1371 показано, что действительное расхож­ дение расчетной и наблюдаемой величин углового момента должно быть еще большим. Основные критические аргументы состоят в сле­ дующем.

1. Форма возмущений не вычислялась в работе [133] самосог­ ласованным путем, а произвольно предполагалась дисковой*. В результате квадрупольный момент, приписанный протогалактике, оказался много больше индуцируемого приливными силами.

* В работе [138] показано, что адиабатические возмущения могут при­ обретать форму диска («блина») на нелинейной стадии гравитационного обо­ собления протогалактики от расширяющегося фона, т. е. существенно позже, чем это предполагается в статье [133].

53

бинации они оказываются практически статическими неоднородностями. Их судьба окончательно не выяснена. В работе [142] эти воз­ мущения положены в основу принципиально новой, многосту­ пенчатой схемы образования галактик. Предполагается, что первые конденсации с М ~ 10вМ® образуют неустойчивые «празвезды»,

возникающим в результате фрагментации этих протоскоплений, т. е. образующимся аналогично (хотя и в силу разных причин) очер­ ченной выше схеме с адиабатическими возмущениями.

В другом варианте теории энтропийных возмущений [143] также предполагается, что «уцелевшие» от диссипации неоднородности имели падающий спектр, так что первыми выделяются массы по­ рядка \0вМ<7). Однако, в отличие от результатов работы [142], ав­ торы работы [143] считают, что первые объекты не образуют сверх­ массивные звезды, а из-за охлаждения на молекулярном водороде фрагментируют на множество звезд, давая шаровые скоп­ ления. Дальнейшая эволюция мыслится в главных чертах, как объединение шаровых скоплений в галактики, а тех, в свою оче­ редь, в скопления, но эти соображения еще недостаточно развиты.

В обоих вариантах теории энтропийных возмущений пока не

Мы не останавливаемся на эволюции других типов возмущений состава, перечисленных выше, для которых еще не показана воз­ можность их трансформации в галактики.

Изложенные соображения ни в какой мере не отрицают возмож­ ности существования первичных адиабатических и энтропийных возмущений. Они лишь подчеркивают недостаточную разработан­ ность гипотез о происхождении галактик из этих возмущений, про­ извол в выборе параметров возмущений и ряд трудностей, с которы­ ми сталкиваются имеющиеся исследования в рамках этих гипотез.

В. Э В О Л Ю Ц И Я В И Х Р Е В Ы Х В О З М У Щ Е Н И Й

Еще до открытия реликтового излучения высказывалось пред­ положение, что первичная структурность, из которой формирова­ лись галактики, носила характер турбулентности [144]. Однако высокая в прошлом плотность излучения оказывается несовмести­ мой с турбулентностью плазмы на невозмущенном фоне излучения: движения должны затухнуть за время, много меньшее космологи­ ческого. Чтобы сохранить идею о первичной турбулентности, следует рассмотреть совершенно иной тип совместных движений излучения и связанной с ним плазмы, носящих вихревой характер («фотон­ ные вихри»). Основные фазы эволюции таких вихрей, наложенных

55

на изотропно расширяющийся космологический фон, рассмотрены в работах [139, 145, 146].

В линейном гидродинамическом приближении вихревые (s) дви­ жения не сопровождаются неоднородностями плотности и соответ­

излучения скорость звука и = с/]/3, a vs также не меняется во вре­ мени (в основном энергосодержащем масштабе движений) в силу закона сохранения углового момента. В результате если vs > и, то дозвуковые вихревые движения генерируют лишь квадратично малые неоднородности.

Но дозвуковой характер турбулентности возможен лишь до мо­ мента рекомбинации tTec, когда ситуация качественно меняется. После завершения рекомбинации скорость звука определяется упру­ гостью газа, а не излучения, вследствие чего она падает в К ^ й - 1 / 2 раз. Поскольку вихревая скорость тем выше, чем больше мас­ штаб вихря (как в обычной несжимаемой турбулентности), то вихри тех масштабов, где vs > и, генерируют потенциальные дви­ жения и соответствующие им неоднородности в распределении веществ.

Амплитуда неоднородностей, образующихся в некотором масш­

эффектов в сверхзвуковой турбулентности можно ожидать vp — vs и соответственно относительно больших неоднородностей (бр/р) ~ 1. Такое равнораспределение между вихрями и потенциальными движениями не позволяет плоским ударным волнам схлопываться с образованием больших скачков плотности. Избыточная кинети­ ческая энергия на момент trec препятствует также немедленному обособлению этих неоднородностей. Отделение от расширяющегося фона станет возможным, когда кинетическая энергия упадет до зна­ чения, допускаемого теоремой вириала. В работе [139] в простей­ шем приближении адиабатического уменьшения энергии вихревых и потенциальных движений при расширении Вселенной рассчитаны основные космогонические параметры образующихся галактик: мо­ мент гравитационного обособления, соотношение радиус — масса, удельный момент вращения и дисперсия скоростей. Появление спи­ ральных галактик ожидается в участках среды с преимущественно вихревыми движениями, тогда как эллиптических галактик — в участках с преобладанием потенциальных скоростей. Доля массы, содержащейся в областях нулевых линий поля вихревых скоростей, позволяет оценить относительную численность Е- и S-галактик

56

идолю массы, вошедшей в шаровые скопления. Численные оценки,

вкоторых использовано естественное предположение, что харак­ терный масштаб и скорость в нем в момент teq равенства плотности

даемым. Интересно, что теория объясняет существование верхней

родности плотности здесь относительно малы, и, в отличие от мень­ ших масштабов, их эволюция определяется не гидродинамической, а гравитационной неустойчивостью. Если в данном масштабе потен­ циальная скорость успела за время 4 х р вырасти до величины, достаточной для гашения скорости дифференциального космологи­ ческого расширения, соответствующая неоднородность «отключится» от фона с образованием гравитационно связанной системы. Оче­ видно, возмущения этих масштабов соответствуют агломератам (скоплениям) галактик различной численности. Пространственная корреляция скоростей в метагалактической турбулентности приве­ дет к тому, что неоднородности с преобладанием потенциальных скоростей над вихревыми (эллиптические галактики) окажутся преимущественно сгруппированными в сферические и притом более плотные скопления, чем скопления неправильной формы (отражаю­ щей наличие общего момента вращения), которые будут содержать

потенциальной компоненты скорости. Принципиально,что галактики обособляются от фона независимо от завершения формирования их скоплений, которое в достаточно больших масштабах на се­ годняшний день еще не закончилось. Основные параметры скопле­ ний [146] удовлетворительно согласуются с наблюдаемыми.

Разумеется, вихревая модель, хотя и объяснила многие вопросы образования галактик, сделала лишь первые шаги в решении этой сложной и многосторонней проблемы. В разработку представлений о вихревом происхождении галактик сейчас включились многие исследователи из разных стран. В работе [136] показано, что образо­ вание галактик из вихревых возмущений может привести к продол­ жающемуся и поныне выпадению межгалактического газа на галак­ тики в количестве, близком к приносимому высокоскоростными облаками нейтрального водорода. Можно показать, что первичные вихри еще на стадии преобладающего излучения генерируют маг­ нитное поле [134]. Последующее усиление этого поля галактической турбулентностью, наложенной на дифференциальное вращение, могло бы, вероятно, объяснить происхождение галактических маг­ нитных полей.

57