Появата на структурата на Вселената
Една от най-важните характеристики на Вселената е нейната структура, наличието на отделни взаимодействащи елементи на физическата материя и техните системи. Структурата на Вселената се проявява както в микро-, така и в макрокосмоса: от мащаба на елементарните частици на материята (по-малко от 10^-13 cm) до гигантските суперкупове от галактики (чиито размери достигат десетки милиони светлинни години). Структурата на Вселената се характеризира с йерархична последователност от все по-сложни системи. Елементарните частици изграждат атомни ядра и атоми с различна степен на сложност, които от своя страна се обединяват в небесни тела — планети, звезди, газови облаци, а звездите и планетите в системи от небесни тела. Следващите по сложност структурни единици са галактиките и куповете от галактики.
Тези достоверни факти за устройството на Вселената поставят пред науката редица въпроси, от които ще откроим два основни:
1. Йерархичната стълба на все по-сложни системи простира ли се до безкрайност? С други думи, съществуват ли системи от небесни тела с произволно големи размери - над, над, над. клъстери от галактики?
2. Как, кога и защо е възникнала наблюдаваната днес структура на Вселената?
Науката е постигнала голям напредък в разрешаването на тези въпроси от светогледно значение. Изключителен принос за тяхното решаване направиха съветските учени.
БЕЗКРАЙНА ЛИ Е ЙЕРАРХИЧНАТА СТЪЛБА?
За да се отговори на този въпрос, е необходимо да се изследва разпределението на материята във все по-големи пространствени мащаби. За решаване на въпроса за степента на хомогенност на Вселената в голям мащаб астрофизиците използват реликтовото електромагнитно излъчване. Това излъчване е възникнало в далечното минало, преди около 15 милиарда години, в началото на разширяването на Вселената, когато не е имало отделни звезди и галактики и цялата материя е билае високотемпературна плазма. По време на разширяването на Вселената радиацията се охлади и днес температурата й е около 3 К. Максималният интензитет на космическото микровълново фоново излъчване съответства на дължини на вълните от части от милиметъра. Тези ултракъси радиовълни свободно, практически без поглъщане, достигат днес до нас от най-големи разстояния. Интензитетът на реликтовото излъчване е еднакъв във всички посоки на небето, което показва удивителното сходство на свойствата на Вселената във всички посоки. Досега с увереност е регистрирано само леко увеличение на интензитета на космическото микровълново фоново излъчване в посока на съзвездието Лъв и отслабване в противоположната половина на небето. Този факт се обяснява с движението на Слънчевата система в посока на съзвездието Лъв със скорост от 390 km / s спрямо съвкупността от галактики. Поради ефекта на Доплер радиацията, идваща към нас от тези части на небето, е по-интензивна. Как е възможно с помощта на реликтовото лъчение да се получи информация за разпределението на материята в най-големите мащаби?
Да предположим, че в мащаб, сравним с цялата видима част на Вселената, има забележими нехомогенности в разпределението на материята - някакъв вид суперкупове от галактики. Тогава тези клъстери трябва да създадат значително гравитационно поле. Реликтовото излъчване, родено в далечното минало в района на такива концентрации, трябва да дойде при нас отслабено. Факт е, че според общата теория на относителността на Айнщайн радиацията, излизаща от областта на повишено гравитационно поле, се отслабва, става червена - преживява гравитационно червено изместване. Този ефект е измерен доста точно в лабораторни експерименти. Следователно, ако във Вселената е имало забележими концентрации на материя в много голям мащаб, тогава от регионите на небето,съответстващи на посоките на тези концентрации, фоновото лъчение ще дойде при нас малко отслабено, ще видим, така да се каже, „петна“ с намален интензитет на фоновото лъчение в небето. Внимателните търсения на такива "петна", извършени по-специално с радиотелескопа РАТАН-600, се оказаха неуспешни. Изчисления. показват, че ако в мащаб от около един милиард светлинни години имаше струпвания с излишък на плътност на материята над средното ниво с поне 10%, тогава ще се появят "петна" в интензитета на космическото микровълново фоново лъчение, което съвременните радиотелескопи биха открили уверено. Това означава, че в мащаб от порядъка на милиард светлинни години и повече със сигурност няма забележими бучки материя. По този начин йерархичната стълба на все по-сложните системи от небесни тела не се простира до безкрайност, тя се прекъсва отгоре.
Най-големите структурни единици на Вселената са големи клъстери или свръхкупове от галактики с размери до стотици милиони светлинни години. В голям мащаб разпределението на материята във Вселената е равномерно.
Приносът на съветските астрофизици и по-специално на астрофизиците от Тартуската астрофизична обсерватория на Академията на науките на Естонската ССР е голям в изучаването на характерните особености на суперкуповете на галактиките. Те откриха, че в свръхкуповете галактиките са разположени предимно в тънки слоеве, които образуват, така да се каже, клетъчни стени, докато вътрешността на клетките е почти празна. До подобни заключения стигнаха и американски астрофизици.
ОТ МАЛКИ НЕРАВНОСТИ ДО ГАЛАКТИЧНИ СКЪПОЦЕННИ КАМЪНИ.
Наблюденията на CMB показват, че в самото начало на разширяването на Вселената горещата разширяваща се плазма е била почти строго хомогенна и едва в относително близка до нас епоха се е разпаднала на отделни „бучки“, от които впоследствие са възникнали галактиките, технитеклъстери и други небесни тела. Ако в началото на разширяването имаше забележими струпвания в горещата плазма, чиято маса би била равна на масата на галактика или куп от галактики, тогава струпванията също биха имали забележимо по-висока температура. Космическото микровълново фоново лъчение, родено в тези горещи бучки, ще дойде при нас днес с интензитет над средното ниво и ще видим "горещи" точки в разпределението на космическото микровълново фоново лъчение в небето. Размерите на такива петна, както следва от изчисленията, са няколко дъгови минути или повече. Но астрофизиците не са открили такива петна. Това означава, че не е имало големи (по амплитуда) концентрации в плазмата.
Все пак трябва да съществуват малки (по амплитуда) нехомогенности в плазмата. Наистина идеално хомогенният газ никога няма да се разпадне на отделни бучки и не биха възникнали небесни тела. Тези малки нередности в горещия газ са били звукови вълни (подобно на това как малки неравности във въздуха причиняват звукови вибрации). Докато в самото начало на разширяването на Вселената газът беше много горещ, той беше йонизиран и непрозрачен за CMB. Огромният радиационен натиск попречи на малките клъстери да се превърнат в по-плътни бучки под действието на силите на собствената си гравитация. Милиони години след началото на разширяването газът се охлади толкова много, че от йонизиран стана неутрален, прозрачен за космическото микровълново фоново лъчение. Радиационното налягане вече не пречи на растежа на нееднородностите под действието на гравитационните сили и тези нееднородности, нараствайки, доведоха до разпадането на газа на отделни бучки, които след това се развиха в купове от галактики, галактики и други небесни тела. Това е най-вероятната картина на формирането на структурата на Вселената. Според изчисленията малките газови нехомогенности ще имат време да растат и да се образуват до наше времегалактика, ако в епохата, когато охлаждащият газ е станал неутрален (един милион години след началото на разширяването), амплитудата на "зародишните" звукови трептения е била приблизително 10 от средната стойност на плътност. И тук теоретиците са изправени пред труден проблем: откъде са дошли тези "зародишни" звукови вълни в горещ газ?
Разбира се, във всеки горещ газ, поради произволното движение на атомите, възникват малки хаотични нехомогенности. Освен това във всяко вещество трябва да съществуват малки нехомогенности поради квантовите свойства на материята. Но изчисленията показват, че както първичните температурни нехомогенности, така и квантовите нехомогенности са напълно незначителни в мащаб, покриващ масата на галактика или клъстери от галактики. Тези нехомогенности са с много порядъци по-малки по амплитуда от стойността на амплитудата на нехомогенността от 10^-5, необходима за обяснение на произхода на широкомащабната структура на Вселената. Беше необходимо да се намери някакъв механизъм за предварително усилване на незначителните квантови и топлинни нееднородности на космическата плазма. Представете си кухина с газ, в която има звукови вълни. Ако обемът на резонатора се увеличи, тогава звуковите вълни, които са паднали във времето с тази промяна, могат при определени условия да бъдат усилени. Нещо подобно се е случило в миналото в разширяващата се гореща Вселена, тъй като параметрите на газа в нея са се променили.
Общото както за Вселената, така и за затворения резонатор с газ е "параметричният резонанс" - усилването на вълни, падащи в "такт" с промените в параметрите на системата. Между другото, същото се случва, когато се люлеем на люлка, приклекнали в ритъма на люлката.
Във Вселената всички смущения попадат "навреме" със скоростта на разширяване на газа. Това означава, че всички широкомащабни нехомогенности са били увеличени по амплитуда и, както показват изчисленията, припри определени условия може да бъде достатъчно голям, за да образува ембриони на галактики в разширяваща се вселена.
НЕУТРИНО В РАЗШИРЯВАЩАТА СЕ ВСЕЛЕНА.
Сега трябва да отговорим на следния въпрос: ако всички мащабни смущения нарастват, тогава защо се появяват клъстери от галактики с наблюдаваните характерни маси и размери? Както следва от експерименти, проведени в Института по теоретична и експериментална физика в Москва, масата на електронните неутрино (6*10^-32g) е около 20 000 пъти по-малка от масата на електрона, няколко десетки милиона пъти по-малка от масата на протона. Ако тези заключения се потвърдят, те ще окажат най-силно влияние върху нашето разбиране за структурата на Вселената.
Факт е, че във Вселената има много неутрино, много повече от тежките частици, които изграждат обикновената материя. Това са реликтови неутрино, останали от ерата на горещата плазма, когато неутрино се произвеждат интензивно при бурни трансформации на елементарни частици. За една тежка частица във Вселената (на практика за всеки протон, тъй като водородът е основният химичен елемент на Вселената) има около милиард неутрино. И въпреки че всяко неутрино е десетки милиони пъти по-леко от протон, общо милиард неутрино имат маса тридесет пъти по-голяма от масата на протон. Това означава, че масата на неутриното е приблизително 30 пъти по-голяма от масата на обикновената материя във Вселената! Енергията на тези реликтови неутрино е толкова малка, че те практически не взаимодействат с обикновената материя и могат да бъдат открити само благодарение на гравитационните сили, създадени от тяхната обща маса. Сега е напълно ясно, че когато се разглежда процесът на образуване на галактики, възникващи от първични буци материя, трябва да се вземе предвид гравитацията на неутриното.
Нека се опитаме да начертаем картина на появата на голям мащабструктури на Вселената. В самото начало на разширяването на Вселената, много малки случайни нехомогенности в разпределението на материята (включително неутрино) са усилени чрез "параметричен резонанс". Тези зародишни нехомогенности в обикновената гореща материя са се превърнали в звукови вибрации. Друго беше положението с нехомогенностите на разпределението на неутриното. В началото на разширяването на Вселената неутриното имаха висока енергия, движеха се със скорост, почти равна на скоростта на светлината, и следователно можеха свободно да напускат малки клъстери. Тези неутрино се смесват с други, които идват от съседни региони, и постепенно нехомогенностите в разпределението на неутрино се изравняват. Колкото повече време минаваше, толкова по-големите нехомогенности в разпределението на неутриното имаха време да се „разтворят“. Процесът на "резорбция" на нехомогенностите продължи, докато скоростите на неутриното се доближиха до светлинните. С разширяването на Вселената скоростите на неутриното намаляват и 300 години след началото на разширението стават значително по-ниски от скоростта на светлината.
Започвайки от този момент, останалите клъстери от неутрино с достатъчно голям размер вече не се абсорбират, тъй като бавните неутрино нямат време да избягат от тях. Кондензациите на неутрино бавно нарастват под въздействието на техните собствени гравитационни сили, след което неутрино средата се разпада на отделни свиващи се облаци, в които неутриното се задържат от общото им гравитационно поле. Според изчисленията масата на тези облаци е приблизително 10 ^ 15 слънчеви. Така възникват най-големите структурни единици на Вселената. Тези неутрино облаци, разбира се, са невидими, но имат гравитационно поле. Какво се случи с обикновената материя, която наблюдаваме днес? Когато материята на Вселената беше плазма, непрозрачна за радиация, радиационното налягане предотвратяваше образуването на бучки, увеличаване наплазмени нехомогенности. Но милион години след началото на разширяването газът става неутрален, налягането в него рязко спада и в гравитационното поле на възникващите масивни облаци неутрино се образуват газови бучки. Тази обикновена материя, концентрирана в централните части на невидимите облаци неутрино, след това се разви в големи клъстери или свръхкупове от галактики, които наблюдаваме днес. Масата на облаците неутрино е около 10^15 слънчева. Общата маса на галактиките в големи клъстери трябва да бъде няколко десетки пъти по-малка, около 3*10^13 слънчеви, което е близо до наблюдаваните стойности. Подчертаваме, че тази снимка изяснява друга мистерия, която отдавна тревожи астрофизиците. Отдавна се подозира, че има някаква невидима маса в клъстерите от галактики, чиято гравитация ускорява галактиките в клъстерите до високи скорости. Сега става очевидно, че тази невидима маса вероятно е концентрирана в неутрино, събрани в облак. В централните му части се образуват видими галактики. Това са най-общо казано идеи за произхода на мащабната структура на Вселената. Разбира се, не всички аспекти на този грандиозен процес са окончателно изяснени и анализирани, предстои още много работа. Това е върхът на науката.