Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Сложности, связанные с формированием галактик, проявляются уже в крошечных флуктуациях, заметных в космическом микроволновом фоне. Если интерпретировать их как избыточную или недостаточную плотность вещества, составляющую всего несколько частей на 100 000, то как эти намеки на структуру могли появиться в гораздо более плотных галактиках, скоплениях галактик и сверхскоплениях, населяющих сегодняшнюю Вселенную? Кроме того, расширение должно было произойти очень стремительно. Изображение небольшой области в созвездии Большой Медведицы, полученное при помощи телескопа «Хаббл», и сверхчеткие снимки, сделанные в дальнейшем, позволили выявить галактики с красным смещением 5 и более — а это значит, что они сформировались по прошествии менее чем миллиарда лет после Большого взрыва. Как столь резкое сгущение вещества могло произойти так быстро?

К сожалению, нам еще только предстоит построить телескопы, мощности которых хватило бы для исследования так называемых Темных веков — эпохи, которая началась спустя 400 000 лет после Большого взрыва и завершилась по прошествии миллиарда лет после него. Снимки, сделанные «Хабблом», позволили нам мельком заглянуть в эту черную бездну и предположить, что первые галактики были относительно маленькими и причудливыми — и безудержно рождали новые звезды. Этот «наблюдательный тупик» слегка разрешится в следующем десятилетии, когда мы задействуем космический телескоп «Джеймс Уэбб» (наблюдающий в ИК-диапазоне), радиоинтерферометр SKA (наблюдающий в радиодиапазоне) и другие передовые телескопы.

Моделируемые сценарии

За последнее десятилетие команды астрофизиков, создающие численные модели, добились огромных успехов. Используя самые мощные суперкомпьютеры, многочисленные группы ученых воображали самые разные сценарии, пытаясь понять, как из расширяющегося и остывающего «бульона» темной материи и атомов возникли галактики (рис. 10.1). Как правило, эти сценарии начинаются с темной материи, поскольку под воздействием притяжения она могла начать сливаться в единое целое еще до эпохи рекомбинации. В то время обычное вещество по-прежнему пребывало в состоянии ионизированной плазмы, и поэтому стремительные потоки фотонов, продолжавшие с ней взаимодействовать, не давали ему застыть. Напротив, темная материя, не испытывавшая никаких влияний, могла пойти своим путем и гравитационно откликаться на любые первичные флуктуации, которые в это время распространялись по космосу. Предполагаемое сгущение темной материи в огромные кластеры и нити могло бы подготовить декорации для появления космической паутины, а также для формирования галактик внутри ее прядей и узлов.

Рис. 10.1. Графическое представление эволюционирующей Вселенной, включая Темные века, эпоху формирования галактик, реионизацию и последующие преобразования в текущую эпоху. (Материалы любезно предоставлены NASA.)

Как только Вселенная остыла настолько, что электроны смогли воссоединиться (рекомбинировать) с ионами и тем самым сформировать нейтральные атомы, фотоны утратили способность взаимодействовать с обычным веществом. Атомы водорода, гелия и других легких изотопов, получив свободу, устремились к центрам притяжения, впервые установленным темной материей. Еще в конце XX века теоретики говорили о том, что после рекомбинации плотность окружающей среды и температура Вселенной должны были оказаться наиболее благоприятными для возникновения относительно небольших сгустков протяженностью в несколько сотен световых лет и массой около миллиона масс Солнца. Будь эти сгустки хоть немного меньше, их собственной гравитации уже не хватило бы для противодействия всепроникающему давлению газа; а также, что значительно важнее, уменьшились бы шансы при помощи тяготения отделить столь огромное облако от расширяющейся среды.

Численное моделирование, основанное на представлении разных сочетаний холодной темной материи, обычной материи и темной энергии (модель Лямбда-CDM [?CDM]), предоставило нам впечатляюще подробную картину зарождения космической паутины, а также галактик и галактических скоплений, сгустившихся в ней. Ни один отдельно взятый код не в состоянии охватить невероятный динамический диапазон пространственных масштабов и ассоциируемых с ними структур, поэтому большинство моделей специализируются на определенной области. В совокупности они показали, что первые галактики, по всей вероятности, походили не на диски и сфероиды, известные нам сегодня, а скорее на маринованные корнишоны. Может быть, именно их мы и видим на снимках «Хаббла» и в других глубоких обзорах неба. Кроме того, благодаря моделям мы узнали, что спиральные галактики по завершении своего формирования оказываются более упругими, чем ожидалось. Возможно, предстоящее столкновение Млечного Пути с галактикой Андромеды, до которого еще примерно 4 млрд лет, не будет таким катастрофическим, как полагали прежде.