Вселенная. Путешествие во времени и пространстве

У реликтового излучения обнаружились следующие особенности. Оно оказалось не абсолютно однородным. В каких-то направлениях интенсивность излучения оказалась немного (на тысячные доли процента) выше среднего фона, в каких-то — ниже. Сияние неба на длине волны реликтового излучения слегка не­однородно — оно как бы покрыто слабой рябью. Это значит, что в каких-то направлениях температура излучения была чуть выше, в каких-то — чуть ниже среднего уровня. В раскаленной начальной Вселенной присутствовали небольшие отклонения от средней температуры и средней плотности — флуктуации.

Если обратиться к современным наблюдениям (спустя 13,8 миллиарда лет после того, как было испущено реликтовое излучение), мы увидим, что Вселенная не абсолютно однородна. Вещество сконцентрировано в звездах, звезды объединены в галактики. Галактики имеют тенденцию скучиваться в скопления и сверхскопления галактик, а между скоплениями галактик наблюдаются гигантские пустоты — войды размерами в сотни миллионов парсек. В войдах практически нет галактик. На более крупных масштабах Вселенная действительно однородна: во всех направлениях скопления галактик и войды между ними распределены примерно равномерно, образуя гигантскую ячеистую структуру, похожую на сетку или паутину. Ячейки этой сетки, построенные из скоплений галактик, приблизительно одинаковы.

Ячеистая крупномасштабная структура Вселенной. Заметны гигантские пустоты между скоплениями галактик, ассоциированных в нитевидные структуры.

Но на меньших масштабах Вселенная оказалась не совсем однородной. Не может ли слабая рябь на карте распределения реликтового излучения по небу оказаться связанной с неоднородностью в виде галактик?

Это была вполне разумная гипотеза. Если бы материя Вселенной была распределена абсолютно равномерно, не было бы никаких галактик и звезд — Вселенная представляла бы собой газ из элементарных частиц, погруженных в электромаг­нитное излучение, и плотность этого газа была бы везде одинаковой. Такая Вселенная была бы неинтересной: в ней не было бы ­никаких сгущений типа звезд, планет, пылевых облаков, ­астероидов, комет, а также ни автора, ни читателей этой книги[47].

Тем не менее наша Вселенная явно не такая. Для физиков это вполне объяснимо. Дело в том, что абсолютно одинаковой плотности вещества не бывает. Представим себе, что в какой-то области молодой горячей Вселенной случайно сформировалась флуктуация: плотность материи оказалась немного (совсем чуть-чуть) выше, чем в соседней области. Это значит, что данный объем пространства концентрирует в себе немного больше вещества по сравнению с соседним объемом, а значит, эта область стала притягивать к себе частицы из окружающего пространства чуть-чуть сильнее, чем соседние области. Сюда переместятся из окружающих областей притянувшиеся частицы, масса (и плотность) этой области дополнительно увеличится, сила притяжении усилится. Процесс будет «разгоняться»: небольшая случайная флуктуация будет нарастать как ком снега, контраст плотности будет становиться все больше, и вещество из окружающей областей будет перемещаться в область нарастающей массы. Такой процесс физики называют гравитационной неустойчивостью.

Гравитационная неустойчивость и ее роль в образовании звезд.

Газ падает на протозвезду по спирали.

Самое главное, что иначе быть не может: не бывает вещества без флуктуаций плотности. Достаточно флуктуации случайно появиться, включится закон тяготения в форме гравитационной неустойчивости. Он будет работать автоматически, усиливая флуктуацию и формируя тем самым сгущение материи — протогалактику. В этих огромных сгущениях газа должны возникать новые гравитационные неустойчивости, но уже в гораздо меньших масштабах. Из сравнительно плотного газа должны формироваться еще более плотные небольшие (по сравнению с протогалактикой) газовые сгустки — протозвезды. Сила тяготения должна привести к падению оставшегося газа на протозвезды. Падение газа приводит к нагреву, температура и плотность в недрах газовых шаров должна была рано или поздно достигнуть тех значений, когда вспыхивают термоядерные реакции — протозвезды превращались в звезды.

Когда мы произносим слово «должны», это означает, что описанные процессы естественно происходят под влиянием законов физики. Законы физики — это не человеческие законы. Они никогда не нарушаются. Именно это позволяет нам использовать законы физики для расчетов того, как должна развиваться ситуация. Если мы правильно оценили начальные условия и не сделали ошибок в расчетах, то ответ получится правильным.

Качественно такая картина ясна и понятна. Но при детальном рассмотрении и попытке рассчитать ход этих процессов в соответствии с законами физики ­возникли серьезные проблемы.