Критерій Джинса одержано в припущенні, що нескінченне однорідне середовище перебуває у спокої. Поведінка ж малих збурень густини в однорідному середовищі, що розширюється, має свої особливості. Як з’ясував Є.М. Ліфшиць (1946 р.), гравітаційна нестійкість у цьому випадку виявляється передусім у тому, що окремі ділянки, густина яких ρ΄ дещо більша за середню густину середовища ρ0, продовжують розширюватися, проте повільніше, ніж середовище в цілому. Відповідно і густина в зоні ущільнення зменшується дещо повільніше. Проте, як і в картині Ньютона (або Джинса), первинне слабке відхилення від середньої густини середовища з часом збільшується. І в певний момент часу сила тяжіння бере верх, «відключаючи» цей фрагмент від загального космологічного розширення. За порядком величини, як і в попередньому, статичному випадку, межі поділу “ущільнення з початковою протяжністю L – навколишнє середовище” відповідає рівність часу вільного падіння до центра ущільнення tG ≈ (Gρ0)-1/2 і часу поширення звукової хвилі ts ≈ L/as (as – швидкість звуку). При tG < ts флуктуації густини на стаціонарному фоні зростають. Тобто це стається, якщо L > as(Gρ0)-1/2. Відповідно збурення густини на тому ж тлі зростають за експоненціальним законом. Однак реально в розширному Всесвіті густина (зокрема при ρ = ρкр) зменшується за законом ρ ~ t-2. За Є.М. Ліфшицем, відповідно і відносна величина збурення густини змінюється пропорційно часу: δρ/ρ ~ t до тих пір, доки враховується тиск ультрарелятивістського газу або випромінювання, коли p = 1/3ε, також маємо при p = 0. Розрахунок показує, що за час від одної секунди до t ~ 3∙109 років відносна величина збурення зросте не більше, ніж у 107 разів. А це значить, що при t ≈ 1 c в догалактичному середовищі вже повинні були бути збурення густини з відносною величиною δρ/ρ ≈ 10-17, що не так вже й мале. Адже якщо говорити про «звичні» теплові флуктуації в середовищі, то для них δρ/ρ ~ , де N – число частинок у системі. І для Галактики при N = 1068 частинок маємо δρ/ρ≈ 10-34 тобто на багато порядків менше! Тому, як відзначали Л.Е. Гуревич і А.Д. Чернін (1987 р.), «початкові збурення, підсилювані гравітаційною нестійкістю, повинні бути набагато вищі за рівень теплових флуктуацій упродовж фактично усієї еволюції світу, яку взагалі можемо вивчати на підставі встановлених фізичних законів. У цьому значенні можна говорити про ці збурення як про деяку дозоряну, догалактичну структуру, що існувала у Всесвіті задовго до зір і галактик”. Про “збурення як догалактичну структуру” йшлося і в лекціях Я.Б.Зельдовича (див. Д.-З.-С., 1988, с.160 і далі) : “….ієрархічна структура виникла внаслідок обумовленого гравітаційною нестійкістю зростання певних початково малих збурень густини… Вони неминуче зпричинені фізичними процесами на ранній (інфляційній) стадії розвитку Всесвіту і внаслідок цього їхня величина і типові розміри визначаються фундаментальними сталими фізики мікросвіту”. Пошуки підходу до питання про природу початкової структури ведуться тепер на основі ідей, які об’єднують висновки загальної теорії відносності і квантової теорії. Тож, як гадають, походження первинних збурень, зобов’язане тим же процесам, які обумовили і саме космологічне розширення – так можна сьогодні переповісти передбачення згаданих авторів! За однією з тогочасних гіпотез, формування неоднорідностей типу скупчень галактик, відбувалося на післярекомбінаційній стадії розширення Всесвіту. В теорії адіабатичних збурень покладають, що частинки речовини і фотони поводяться як єдине середовище. В адіабатичних згущеннях температура і густина вищі, ніж у навколишньому середовищі. І якщо збурення виникло, то зразу ж потоки фотонів переносять тепло із зони згущування, причому тим ефективніше, чим вона менша. Тому розвиток малих неоднорідностей придушується і до епохи рекомбінації повинні б «виживати» збурення з масами порядку 1015М⊙. Особливу увагу привертає питання про формування спіральних галактик, яким притаманний великомасштабний обертальний момент. Ним займався вже Декарт, висловивши ідею космічних вихорів. Починаючи з 1948 р., німецький фізик Карл Вейцзекер спробував відтворити картину Всесвіту, виходячи з припущення, що в догалактичному середовищі існували складні вихорові (турбулентні) рухи. Вони нібито забезпечували обертання протогалактик і сприяли їх виділенню із неперервного середовища, яке Вейцзекер вважав холодним. Згодом, у 1952 р. Г. Гамов підтримав «вихорову космогонію» і припустив, що вихори існують у Всесвіті від початку і мають ту ж природу, що і саме космологічне розширення. І якщо розвиток галактичної структури обумовлений адіабатичними збуреннями, то вони зпричинили неоднорідності реліктового радіовипромінювання у напрямах, що розрізняються за кутом навіть на декілька хвилин дуги. Однак у теорії вихорів із закону збереження моменту кількості руху (добуток швидкості руху у вихорі на його розмір і число охоплених ним частинок повинен залишатися незмінним) випливало, що внаслідок космологічного розширення швидкості вихорів повинні зменшуватися. І, навпаки, в ранню епоху ці швидкості мали б бути близькі до швидкості світла (а формально і надсвітловими). Ця суперечність, здавалося, була усунена після відкриття реліктового випромінювання: у фотонному газі з домішкою плазми вихорові швидкості залишаються незмінними упродовж усієї епохи переважання випромінювання (порядку 3000 км/с). Проте вихори з такою швидкістю створювали б помітні флуктуації в реліктовому фоні. З цього приводу, однак, Л.Е. Гуревич та А.Д. Чернін зауважили: “Вихорові рухи в епоху відокремлення протогалактик повинні мати швидкості, що перевищують швидкість звуку в середовищі, і в цьому смислі догалактична турбулентність повинна бути надзвуковою. У гідродинаміці такий стан середовища залишається невивченим; наскільки відомо, у ній не було і самого поняття надзвукової турбулентності (яке, зрештою, дотепер залишається визначеним не дуже чітко)... Теоретичний аналіз наштовхується тут на серйозні, дотепер не подолані труднощі. Намічена у свій час Вейцзекером програма дослідження окремих ключових питань (як ось поширення нестаціонарного розриву, взаємодія сильних розривів тощо) залишилася невиконаною... Проблема походження догалактичних вихорів не входила в цю програму. Допускалося, що вихори існують у Всесвіті одвічно і мають ту ж природу, що й загальне регулярне розширення середовища (Гамов, 1952)”. На думку ж згаданих авторів, “вихори, що дали початок обертанню галактик, справді існували в епоху формування зоряних систем, але не були одвічними, а виникли незадовго до того у надзвукових рухах міжгалактичного середовища”. Ця серйозна проблема все ще чекає свого належного аналізу. Варті уваги і слова Дж. Джінса (1928 р.) щодо підозріння, за яким “у спіральних туманностях діють зовсім невідомі нам сили, які, можливо, відображають нові і несподівані метричні властивості простору”. В цілому впевнено та однозначно можна поки що говорити про заключний етап великомасштабної структуризації – про каскадну фрагментацію речовини у відповідності з критерієм Джинса. Однак і тут є нелегкі питання, що стосуються дифузії фотонів через середовище, параметри якого безперервно змінюються. Йдеться про вже згадані вище механізми охолодження та їхню роль у прискоренні або ж, навпаки, зповільненні: процесів структуризації світної речовини. Значною мірою це з’ясовується тепер їх моделюванням у потужних обчислювальних центрах.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Фрагментація у розширному Всесвіті» з дисципліни «Фрагменти космології»
