Чтение онлайн

Какова бы ни была причина активности квазаров, ясно одно: в прошлом было гораздо больше квазаров, чем сейчас (поскольку квазаров с большим красным смещение намного больше, чем с малым). Точно так же и ярких радиогалактик в прошлом было больше. При красном смещении z = 0,5 количество квазаров и радиогалактик в 5 раз больше, чем в нашей окрестности Вселенной. При z = 1 это количество в 50 раз, а при z = 3 в 1000 раз больше, чем вблизи нас. При красном смещении 0,5 свет был испущен квазаром и двинулся в нашу сторону 5 млрд лет назад; z = 1 соответствует 8 млрд лет, а z = 3 удалено от нас на 12 млрд лет (предполагая возраст Вселенной равным 14 млрд лет).

Раньше расстояния между галактиками были меньше, чем сейчас. Из-за расширения Вселенной шкала космологических расстояний изменяется обратно пропорционально 1 + z. Поэтому при красном смещении 3 среднее расстояние между галактиками было вчетверо меньше современного. Соответственно и взаимодействие между галактиками было сильнее, и слияния галактик происходили чаще. Считается, что в этом и состоит основная причина высокой активности квазаров при z = 3 и причина ослабления их активности позже.

Если уходить в еще более раннее прошлое, чем эпоха z = 3, то число квазаров и радиогалактик не будет увеличиваться; наоборот — мы увидим все меньше и меньше квазаров. Почему? Согласно современным взглядам, галактики постепенно строились из меньших кусков между красными смещениями z = 30 (соответствует возрасту всего 100 млн лет после Большого взрыва) и z = 3. В этот же период в центрах протогалактик формировались черные дыры, которые к тому же росли при слиянии ранних галактик. И только через 2 млрд лет после Большого взрыва (z = 3) появилось много полностью сформировавшихся галактик с большой центральной черной дырой. Они могли дать жизнь полноценным квазарам. А до этого квазары были редкостью: мы знаем всего несколько квазаров с красным смещением 6 или больше.

Как видим, квазары могли родиться вместе со своими материнскими галактиками и вырасти в их центрах. В следующей главе мы обратимся к последнему вопросу этой части нашей книги: как же возникли сами галактики?

Современные теории происхождения небесных тел отсылают нас в древние времена, о которых мы рассказывали в главе 24. В ту эпоху примерно через 400 000 лет после Большого взрыва, Вселенная была равномерно заполнена водородно-гелиевым газом с температурой 3000 °C. Сегодня, по прошествии 14 млрд лет, мы видим, что повсюду сформировались галактики и что мы живем в одной из них — в нашей Галактике, которую частенько называют просто «Млечный Путь». В ней около 200 млрд звезд и бесчисленное количество газовых облаков разного размера, обращающихся вокруг центра Галактики. Когда мы смотрим вдаль, то видим несметное число других галактик, более или менее похожих на нашу. Сотни миллиардов галактик разбросаны в космическом пространстве, но все их можно разделить на несколько типов. В большинстве своем это эллиптические и спиральные галактики, состоящие в основном из темной материи и некоторого количества звезд и газа. Это означает, что процесс формирования всех галактик имел глубокие корни н в основе своей был единым, протекавшим повсюду во Вселенной. Как могла однородная, лишенная каких-то особенностей среда превратиться в наблюдаемую сегодня сложную систему сверхскоплений, пустот и цепочек?

Эволюция структуры, в принципе, может происходить в двух направлениях: либо некий большой объект делится на маленькие кусочки, либо много мелких кусочков собираются вместе и образуют большой объект. В Московском государственном университете Яков Борисович Зельдович (1914–1987) с коллегами разработали сценарий, согласно которому сначала рождались большие структуры, а затем они постепенно делились на более мелкие фрагменты. Этими большими структурами, по их расчетам, были газовые облака, более массивные, чем скопления галактик. Поскольку в процессе коллапса в одном из направлений (случайном!) каждое облако непременно сжималось быстрее, чем в других направлениях, в итоге оно становилось плоским, блинообразным. Затем гигантские «блины» распадались на галактики. Это должно было объяснить, почему даже в наше время многие галактики организованы в плоские структуры. Однако открытие очень далеких галактик, на расстояниях с красным смещением z = 6 и даже ю, то есть в очень ранний период истории Вселенной, противоречит этой теории фрагментации, согласно которой галактики должны были рождаться намного позже.

В своей переписке 1692 года Ньютон и Бентли обсуждали поведение однородного вещества в пространстве под действием гравитации (см. главу 23). По этому поводу Ньютон высказал поразительную идею: «…если бы вещество было равномерно распределено по бесконечному пространству, то оно никогда не смогло бы собраться в одну массу, но часть его сгущалась бы тут, а другая — там, образуя бесконечное число огромных масс, разбросанных на огромных расстояниях друг от друга по всему этому бесконечному пространству. Именно так могли образоваться и Солнце и неподвижные звезды, если предположить, что вещество было светящимся по своей природе».

Как видим, Ньютон описал процесс формирования звезд. Если вещество равномерно распределено по бесконечной Вселенной, то оно неустойчиво: под действием гравитационной силы притяжения из мелких уплотнений — «зародышей» — образуются сгущения. В целом это тот же процесс, который изучают современные астрономы, пытаясь понять происхождение галактик. Общепринятая точка зрения гласит, что первыми рождались мелкие объединения, а затем они собирались вместе и образовывали более крупные структуры. Самые мелкие «кусочки», входящие в гало современных галактик, имеют массы примерно в миллион масс Солнца. Постепенно они объединялись, образуя все б'oльшие и большие агрегаты, до тех пор пока не сформировалось все многообразие галактических гало — от карликовых сфероидов с массами несколько миллионов масс Солнца до гигантских гало с массами в несколько триллионов солнечных масс. Эти гало собирали окружающий газ, и со временем некоторая его часть превратилась в звезды. Так образовались видимые галактики. В то же самое время эти галактики, стянутые вместе огромным гало из темной материи, собирались в скопления. По-видимому, карликовые сфероидальные галактики и шаровые звездные скопления являются выжившими остатками той стадии эволюции галактик.

В конце эпохи доминирования излучения плотность газа была низкой, примерно такой же, какую сегодня мы наблюдаем в разреженных межзвездных газовых облаках. Чтобы из такого вещества могла сформироваться звезда, его следовало уплотнить в десять миллионов раз. Для первичного почти однородного газа достаточно было более умеренного уплотнения, чтобы образовались не звезды, но галактики и их скопления.

Причиной роста уплотнения служит притягивающая сила гравитации. Чем больше размер заполненной веществом области, тем сильнее гравитация относительно других сил. Основным противником гравитации служит внутреннее давление газа, зависящее от его температуры и плотности. Можно вычислить критический размер газового облака, необходимый для того, чтобы оно начало сжиматься под воздействием собственной гравитации: при меньшем размере оно сжиматься не будет, а при большем — будет. Эту критическую массу облака называют массой Джинса, а размер такого облака называют длиной Джинса (этот критический размер прямо пропорционален квадратному корню из температуры газа и обратно пропорционален квадратному корню из его плотности) (рис. 27.1).

Рис. 27.1. Если в газовом облаке размер области с немного повышенной плотностью (область возмущения) меньше длины Джинса, то это не приводит к конденсации газа. Только в том случае, если размер этой области равен или больше длины Джинса, начинается ее сжатие. Иными словами, чтобы плотность продолжала возрастать, масса возмущенной области должна быть равна или больше массы Джинса. Автором этой теории был Джеймс Джинс.

В эпоху доминирования излучения длина Джинса была такой же большой, как космологический горизонт той эпохи, поэтому гравитационное сжатие было невозможно на любых масштабах. Даже чисто интуитивно понятно, насколько трудно создать какую-либо структуру из излучения. Вскоре после окончания эпохи излучения давление газа резко снизилось, и в результате этого масса Джинса уменьшилась до нескольких сотен тысяч солнечных масс. У галактик массы намного больше этого значения, следовательно, формирование галактик стало возможным. Но существовали ли какие-либо первичные уплотнения, «зародыши», которые в дальнейшем могли развиться в нечто такое большое и плотное, как галактики?

Какими должны быть эти зародыши, чтобы за приемлемое время вырасти в галактику? Рост конденсаций происходит примерно в том же темпе, что и расширение Вселенной. Например, возмущение могло иметь контраст в одну тысячную долю, то есть на тысячу атомов мог быть один лишний атом, который мы назовем первичным возмущением. Когда Вселенная расширилась в десять раз, уже было десять дополнительных атомов на тысячу атомов той же конденсации. После стократного расширения Вселенной было уже 100 дополнительных атомов на каждую тысячу (10 %-ное возмущение). Наконец, возмущение достигает 100 % при расширении в 1000 раз, то есть первоначальная тысяча атомов притянула еще тысячу из своих окрестностей. На этой стадии сгущение настолько явно выделяется из окружающего газа, что сжимается в некую структуру за время, пока Вселенная расширяется еще вдвое. Что получится из этого сгущения, зависит от его массы.

После окончания эпохи доминирования излучения Вселенная расширилась примерно в 5000 раз, так что упомянутого выше возмущения в 0,1 % вполне было бы достаточно для начала процесса формирования современных галактик. Но тут нас ожидает конфуз. Как мы уже говорили, при измерении космического фонового излучения наблюдаются небольшие пятна с вариациями температуры. Они говорят нам о реальном уровне зернистости космического газа после окончания эпохи доминирования излучения. Судя по измерениям, эти вариации слишком малы, а значит, газ был слишком однородным для того, чтобы из него смогли образоваться галактики. Тогда откуда же взялись галактики?