Развивающаяся Вселенная

3.1 Формирование структур как этап самоорганизации Вселенной
[Продолжение]

А-теория привлекает симпатии своей разработанностью и способностью естественным образом объяснить формирование крупномасштабных структур с последующим их фракционированием на структуры более мелкого масштаба. Однако, теория уязвима для критики. Первая трудность кроется в ее исходных предпосылках. Слабые возмущения однородной Вселенной дорекомбинационного периода, если они существовали, должны были оставить свой след в структуре реликтового излучения. Расчет дает оценки тех минимальных значений амплитуд таких возмущений, которые обеспечивают их последующее перерастание в крупномасштабные возмущения. Однако, тщательные наблюдения за реликтовым излучением, проводившиеся на протяжении более 15 лет в СССР и в США, не выявили в его структуре следов ожидаемого возмущения: наблюдения убеждают, что реликтовому излучению присуща высокая однородность и изотропность. А структура реликтового излучения точно отображает структуру барионного вещества в период их разделения. Так что если в дорекомбинационный период и существовали возмущения плотности, то их амплитуды лежали за пределами чувствительноcти приборов, использовавшихся при измерениях, и не могли обеспечить развития крупномасштабных возмущений. Существовавшей барионной массы было для этого недостаточно.

Устранение противоречия теории и наблюдений возможно, если тяготеющая масса во Вселенной на самом деле определяется не только барионными частицами. Дело в том, что чем больше тяготеющая масса, тем при меньших амплитудах исходных возмущений достигаются крупномасштабные уплотнения. Так спасение предпосылок А-теории переплелось с упоминавшейся ранее проблемой скрытой массы, увеличивающей на порядок тяготеющую массу по сравнению с барионной

Обсуждая предположительную природу скрытой массы, отмечают следующие возможные варианты. Ее носителем могут быть нейтрино, если они обладают сравнительно небольшой собственной массой. В реальном существовании нейтрино ученые убедились в 1953 – 1956 годах, но до сих пор эта лептонная частица изучена слабо, а ее роль в мироздании до конца не понята. Как видно из таблицы 2.1, различают три разновидности нейтрино: электронный нейтрино n_e , мюонный нейтрино n_m и тау-нейтрино n_t . Каждая частица имеет соответствующую античастицу. Среди нерешенных проблем природы нейтрино выделяются две: это вопрос о наличии у нейтрино массы и вопрос о возможных переходах нейтрино одной разновидности в другую. А так как опыты с нейтрино сопряжены с большими трудностями из-за очень слабого их взаимодействия с другими видами вещества, то экспериментально обнаружить у них массу пока не удалось. В 80-х годах тончайшие эксперименты по определению массы электронного антинейтрино как будто дали положительный результат, масса антинейтрино (а, следовательно, и нейтрино) была оценена в 30 эВ. Несколько лет этот результат внушал надежду, но не получал ни подтверждения, ни опровержения. К сожалению, последующие проверки обнаружили методологический просчет экспериментаторов, и их результат был отвергнут. В самое последнее время прямые эксперименты показали, что нейтрино все же имеют небольшую массу, но величину этой массы пока установить не удалось.

Согласно оценкам Я.Б. Зельдовича и его сотрудников, в современной Вселенной концентрация нейтрино всех трех сортов очень высокая, от 150 до 500 частиц на кубический сантиметр, она на много десятков порядков превышает концентрацию барионного вещества и сравнима лишь с концентрацией фотонов (500 на см³). Поэтому если масса нейтрино составляет 20-30 эВ, то суммарная их масса на порядок превысит суммарную массу барионного вещества во Вселенной, что объяснит природу скрытой массы. Но если масса нейтрино много меньше указанной величины, то на роль носителей скрытой массы придется искать других претендентов, например, гипотетические частицы, предсказываемые в еще не разработанной теории суперсимметрии, или другие возможные объяснения.

Апеллируя к скрытой массе, А-теория временно сняла одно из своих острых противоречий, так как с ее учетом даже малые возмущения в дорекомбинационный период, не регистрируемые современными приборами, способны перерасти в сильные уплотнения после завершения рекомбинации. Но этим не снимается проблема происхождения слабых начальных крупномасштабных возмущений в однородной Вселенной дорекомбинационного периода. Следующая серьезная трудность теории – выпадение из ее поля зрения процесса образования полномасштабных галактик. Предсказываемые теорией карликовые галактики в наше время встречаются редко, и нет никаких указаний на то, что они способны в своем последующем развитии стать "нормальными" галактиками. Кроме того, галактики разнообразны, у них различные пути эволюции и А-теория этих особенностей не рассматривает.

Между тем, последние наблюдательные данные о галактиках заставили астрофизиков разрабатывать другие подходы к объяснению их образования. Эти подходы не умаляют выдвинутой Зельдовичем идеи об образовании галактик в результате фракционирования крупномасштабных исходных формирований. Предполагается, что протогалактики представляли собой гигантские газовые облака, масса каждой из которых заметно превышала массу образовавшейся из нее галактики. В каждом таком облаке в силу особенностей протекавших там газодинамических процессов наступала стадия бурного звездообразования, во всем объеме рождались десятки и сотни миллионов звезд, среди которых с частотой, в тысячи раз большей, чем теперь, вспыхивали сверхновые. Это породило мощный поток раскаленных газов, некий фантастический галактический ураган с температурой газа в десятки и сотни миллионов градусов. За границы протогалактики выносились огромные массы вещества порядка сотни солнечных масс в год. Ураган звездообразования бушевал около ста миллионов лет, и потери вещества составили не менее 10⁸ солнечных масс. Вместе с веществом ушла огромная энергия, порядка 10⁶⁰ эрг. Нагрев газа в облаке остановил процесс бурного звездообразования. Затем начался период образования звезд второго и следующих поколений, растянувшийся на миллиард лет и более. Обсуждаемая модель формирования галактик получила название горячей. Популярно она рассматривается в [28].

В пользу горячей модели образования галактик говорят данные, полученные спутниками – лабораториями. Один из доступных проверке выводов этой модели состоит в том, что в период бурного звездообразования протогалактика интенсивно излучает в инфракрасной (ИК) и рентгеновской областях спектра электромагнитных волн, а видимое излучение в этот период очень слабое. Американский исследовательский спутник ИРАС, начиненный чувствительной аппаратурой для измерений ИК излучений, в 1983 году обнаружил несколько ИК галактик, почти невидимых обычными астрономическими оптическими инструментами, но излучающих с необычайно высокой мощностью в ИК области спектра. Эта мощность соответствует тому, что предсказывает горячая модель рождения галактик. На этом основании говорят о согласии модели с данными наблюдений. Из такого заключения следует еще один важный вывод: процессы образования галактик протекают и в относительно близкое к нам время.

Говоря о структуре Вселенной и, в частности, об образовании галактик, следует найти объяснение еще одной их особенности, а именно, проявляющихся в большинстве из них вихревых явлениях глобального и локального характера. Свыше 70% известных астрономам галактик, в том числе наша галактика и ее ближайшая соседка в созвездии Андромеды, имеют спиральные структуры. Такие галактики вращаются вокруг своего ядра со скоростями порядка 100-300 км/с. Вихрь, как показывают наблюдения, оказывается вездесущим элементом структурной Вселенной.

Как возникли вихревые движения в первоначально однородной расширяющейся Вселенной – вот вопрос, давно волнующий астрономов и космологов. Согласно положениям газодинамики, вихревое движение либо существует изначально в системе, либо его создают особые обстоятельства, которые необходимо выявить. Предположение об изначальном существовании вихрей во Вселенной было отброшено, как только появились доказательства ее высочайшей однородности и изотропности в раннем периоде существования. Многочисленные же гипотезы о том, как возникали вихри по мере развития Вселенной, до недавнего времени оказывались неудовлетворительными, так как не могли объяснить наблюдаемые скорости вращения галактик. Лишь в 70-е годы был предложен газодинамический механизм вихреобразования, согласующий предсказываемые им скорости вращения галактик с наблюдаемыми скоростями.

Но, видимо, это только первое приближение к истине. Необходимо обратить внимание на роль галактических ядер в формировании галактических структур. Пример тому – все та же спиральная галактика в созвездии Андромеды. Она удалена от нас на 2,4 миллиона световых лет. Проведенные с помощью спутников исследования ее излучения в ИК, рентгеновском и g - спектрах дали интересную информацию для размышления. На основе полученных сведений делается вывод, что точно в центре галактики расположена черная дыра с массой порядка 10 миллионов солнц, а вокруг нее на удалении нескольких световых лет вращается вторая черная дыра. В настоящее время предполагается, что черные дыры способны до 25% своей массы накапливать в энергии вращения и затем высвобождать ее. Поэтому может оказаться, что процесс образования галактической спирали связан не только с газодинамикой. Предполагается также, что черные дыры в галактических ядрах не являются чем-то исключительным. Расшифровка этих деталей – дело будущего.

Ударные волны, потоки вещества, рождаемые их сочетаниями вихри, играли важную роль не только в процессах крупномасштабного структурообразования, но и при формировании последующих более мелких структур. Газодинамический механизм всегда сочетался с электромагнитными, магнитогидродинамическими, плазменными явлениями и с гравитацией. Существование магнитных полей во Вселенной создает условия заметного проявления магнитодинамических эффектов, способных не только формировать структуры газовых и пылевых облаков, но и инициировать в них процессы звездообразования. Современные теории структурообразования на разных уровнях иерархии рассматривают комбинированное участие этих факторов в подобных процессах, причем гравитация не является среди них доминирующей.

Возвращаясь к А-теории, отметим еще одну ее трудность. Усилиями ряда астрономических обсерваторий определены местоположения и лучевые скорости многих тысяч галактик. С применением ЭВМ на базе таких данных воспроизведены элементы крупномасштабной структуры Вселенной и построена пространственная ее модель [29]. Выяснилось, что галактики, объединенные в скопления, образуют гигантские цепочки, пересечения которых создают характерную ячеистую структуру Вселенной. Изолированные дискообразные сверхскопления галактик, названные в А-теории блинами, в этих структурах не обнаружены. Но открыты более мелкие структурные сетки из цепочек галактик, заполняющие всю крупномасштабную структуру. В развитие этих и более свежих данных тремя исследователями из Гарвардского Смитсоновского астрофизического центра (В. Лаппарен, М.Геллер и Д.Хучура) излагается новая точка зрения на крупномасштабную структуру, названную "Пузырьковой Вселенной". Галактики в подавляющем большинстве сконцентрированы на поверхностях соприкасающихся пузырьковых структур диаметром 50 Мпc. Предполагается, что при взрыве исходного зародыша очень активных галактик первого поколения возникают распространяющиеся наружу сферические ударные волны, что приводит к рождению галактик и образованию пузырьково-образных пустот во Вселенной, по краям которых располагаются разбрасываемые галактики. Но ни одно из предлагаемых теоретических построений не дает полного объяснения наблюдаемых явлений. В ближайшее время можно ожидать новых сообщений о причудливости архитектуры Вселенной, поскольку интересные данные на этот счет поступают с внеземной обсерватории, вооруженной мощным телескопом имени Хаббла.

Наблюдательные данные позволяют говорить об образовании структур во Вселенной как о сложном коллективном процессе, еще не до конца понятом, но в общих чертах отвечающему представлениям о самоорганизации сложных систем. Основная работа по раскрытию механизмов этого процесса впереди и она может привести к новым открытиям и новым взглядам на образование крупномасштабных структур. Но любые новации, если они возникнут, без сомнения лишь подтвердят факт скачкообразного перехода Вселенной в качественно новое состояние, характеризуемое "внезапным" появлением в ней крупномасштабных структур. Пока ясно одно: Вселенная – это не набор случайных, не связанных между собой элементов, а единая структурно высокоорганизованная система.

Нам придется пропустить в просматриваемой "киноленте" еще несколько неразборчивых кадров и продолжить просмотр с момента появления в галактиках звезд первого поколения. Они сыграли важную роль в последующем усложнении элементов Вселенной.