2.2. Теория горячей Вселенной (общепринятый сценарий образования галактик)

После того как в середине девятнадцатого века был сформулирован закон сохранения энергии, перед астрономами встал вопрос об источниках звёздной энергии и о происхождении звёзд. Ведь звезда излучает огромное количество энергии и ясно, что этот процесс не может продолжаться бесконечно. Следовательно, время существования звезд ограничено, и они каким-то образом возникают. Как образуются звёзды?

После того как в начале двадцатого века было открыто, что звёзды Вселенной группируются в гигантские звёздные скопления – галактики, проблема образования звёзд стала рассматриваться совместно с проблемой образования галактик. И эти проблемы встали особенно остро, когда стало ясно, что Вселенная расширяется, и её возраст не превосходит 15-16 миллиардов лет.

В настоящее время общепринятым является следующий сценарий образования галактик и звёзд.

Во-первых, предполагается, что приблизительно пятнадцать миллиардов лет назад (эта цифра может в будущем уточняться) вся материя Вселенной находилась в сверхплотном состоянии, и тогда же произошёл так называемый «Большой взрыв». Почему произошёл этот взрыв, неизвестно (хотя гипотез на эту тему выдвинуто немало), он просто постулируется в качестве начального момента эволюции Вселенной.

Во-вторых, предполагается, что практически вся энергия Вселенной, возникшая после Большого взрыва, находилась в тепловой форме. Поэтому общепринятая гипотеза происхождения Вселенной обычно называется теорией горячей Вселенной.

Если экстраполировать расширение Вселенной в прошлое и при этом предположить, что вся её энергия находилась в тепловой форме, то нетрудно оценить температуру ранней Вселенной. Например, предполагается, что спустя одну сотую секунды после начала расширения температура Вселенной была порядка 100 миллиардов градусов [34,с.113]. При такой высокой температуре энергия частиц была настолько велика, что не могли образовываться атомные ядра, и вещество Вселенной состояло из отдельных элементарных частиц.

По мере расширения Вселенной её температура падала, и начали образовываться ядра атома гелия – наиболее устойчивые из атомных ядер. Предполагается, что примерно четверть всех нуклонов (общее название для протонов и нейтронов) успели объединиться в ядра гелия по истечении первых трёх минут, а затем, в результате расширения Вселенной, её температура и плотность уменьшились настолько, что термоядерный синтез прекратился. Поэтому предполагается, что атомные ядра тяжелее гелия могли быть синтезированы только в недрах звёзд, то есть значительно позже.

Затем Вселенная продолжала расширяться и остывать, и спустя сотни тысяч лет после начала расширения её температура упала примерно до 3000 К, вследствие чего отрицательно заряженные электроны стали объединяться с положительно заряженными атомными ядрами, образуя нейтральные атомы. Пока Вселенная состояла из заряженных частиц – электронов и атомных ядер, она была непрозрачна для излучения, так как излучение интенсивно взаимодействует с заряженными частицами. Но когда всё вещество Вселенной стало в основном нейтральным, подавляющая часть излучения отделилась от вещества.

В 1964 году радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон занимались настройкой новой антенны со сверхнизким уровнем шума для исследования радиоволн, излучаемых нашей Галактикой на волне 7,35 см. Они обнаружили неизвестный радиошум, интенсивность которого не зависела от направления. Дальнейшие исследования показали, что спектр этого шума соответствует спектру электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,7 К.

И в настоящее время общепринято, что открытое Пензиасом и Вильсоном космическое микроволновое излучение, идущее на Землю со всего неба, возникло в ранней Вселенной, когда её температура была примерно 3000 К, а размеры в тысячу раз меньше, чем сейчас. Поэтому это излучение называется реликтовым. При движении в расширяющейся Вселенной температура (энергия) реликтового излучения всё время понижалась и к настоящему времени достигла 2,7 К.

После того как было открыто реликтовое излучение, теория горячей Вселенной стала общепринятой среди космологов, а интерес к альтернативным теориям (например, к теории стационарной Вселенной) быстро угас.

Как же образовались галактики в рамках теории горячей Вселенной?

Предполагается, что в ранней Вселенной имели место флуктуации плотности – небольшие отклонения плотности от среднего значения. Далее предполагается, что по мере расширения Вселенной эти отклонения возрастали и, в конце концов, из них образовались галактики. То есть галактики образовались в результате гравитационной конденсации разреженных масс газа вокруг областей повышенной плотности.

Этот сценарий образования галактик, на первый взгляд, кажется вполне правдоподобным. Однако все попытки разработать его в деталях потерпели неудачу.