Глава 6. Крупномасштабная структура Вселенной и ее происхождение

§6.4. Усиление неоднородностей в распределении вещества в расширяющейся Вселенной

Итак, слабые неоднородности с размером меньше джинсовой длины являются звуковыми волнами, распространяющимися на фоне расширяющейся Вселенной. В противоположном случае сила притяжения вещества к центру сгустка тормозит расширение вещества в этом районе. Как говорилось в §4.2, расширение Вселенной в целом тоже тормозится силой тяготения, но поскольку плотность сгустка хотя бы чуть-чуть превышает среднюю плотность Вселенной, замедление расширения сгустка немного сильнее (рис. 6.4.1). Поэтому расширение неоднородности с повышенной плотностью отстает от расширения Вселенной. Рано или поздно расширение сгустка останавливается, он начинает сжиматься и в итоге образует гравитационно связанную систему.

Отметим, что основы теории усиления неоднородности в расширяющейся Вселенной заложил советский физик Е.М.Лифшиц (1915-1985) в 1946 году. Заметим, что в сталинские годы занятия космологией в нашей стране требовали от ученого большого личного мужества, поскольку теория расширяющейся Вселенной была признана идеалистической и вредящий делу построения коммунизма, а развивавший ее ученый рисковал тем, что его могли объявить "врагом народа" со всеми вытекающими отсюда последствиями...

Поскольку Вселенная расширяется, ее параметры, в том числе скорость звука и средняя плотность, меняются со временем. В частности, до рекомбинации во всех движениях принимали участие и свет и вещество, которые были тесно связаны друг с другом. В ту далекую эпоху упругость среды определялась светом; вычисления показывают, что скорость звука была почти равна скорости света (точнее, имело место соотношение ) и джинсовская длина была только чуть меньше размера космического горизонта. Поэтому все сгущения, помещавшиеся до рекомбинации в пределы горизонта видимости, были звуковыми волнами (причем это был звук, состоявший из света и плазмы — огненный звук!). После рекомбинации вещество резко стало прозрачным, все фотоны вылетели из сгущений, что привело к резкому снижению упругости среды и, следовательно, уменьшению джинсовской длины. Даже сгущения с массами около миллиона масс Солнца смогли начать сжиматься (на фоне общего расширения среды), и только тогда начался процесс формирования структуры Вселенной. Таким образом, наша Галактики, как и другие галактики, а также скопления и сверхскопления галактик, когда-то были звуком. Увы, это была не космическая музыка, о которой когда-то грезили пифагорейцы, а скорее хаотический шум...

Важную роль в развитии гравитационной неустойчивости в расширяющейся Вселенной играла скрытая масса. Поскольку она состоит, вероятно, из слабовзаимодействующих частиц, давление излучения не могло препятствовать образованию огромных облаков темной материи. Эти облака явились теми "потенциальными ямами", которые после рекомбинации послужили зародышами для конденсации газа. Массы облаков темного вещества зависели от масс составляющих их частиц. Если темная материя состоит из нейтрино (так называемая горячая темная материя), то массы облаков примерно соответствовали массам сверхскоплений галактик. В этом случае первыми образовывались прото-сверхскопления галактик, которые затем распадались из-за гравитационной неустойчивости на протоскопления и протогалактики (эволюция "сверху вниз"). В настоящее время этот сценарий отвергается большинством ученых. Дело в том, что в моделях с горячей темной материей галактики должны формироваться очень поздно, при красных смещениях около одного-двух, но в настоящее время открыто очень много гораздо более далеких галактик и квазаров.

Если же темная материя состоит из частиц более высокой массы, чем масса нуклонов (гравитино, фотино и др.: холодная темная материя), то массы облаков были гораздо меньше масс отдельных галактик. В этом случае первыми образовывались объекты типа звездных скоплений, которые затем скучивались в системы более высокого уровня (эволюция "снизу вверх"). Этот сценарий сейчас считается наиболее вероятным. Сильным доводом в его пользу является тот факт, что далекие галактики, попавшие в Хаббловское глубокое поле, меньше по размеру, чем близкие, т.е. современные нам звездные системы — ведь при объединении галактик они должны расти. Не исключено, впрочем, что в будущем победит комбинация этих сценариев, в которой помимо холодной есть и примесь горячей темной материи.