Предгалактическа структура

Обща астрономия. Вселена. Предгалактическа структура

Обща астрономия. Предгалактическа структура

структура
структура

Както в оригиналната теория за дънките, критичната дължина на дънките се появява и в съвременната теория за гравитационната нестабилност. Той напълно запазва значението си и дори изразът му по отношение на скоростта на звука и плътността на носителя има същата форма (виж по-горе). Това е разбираемо, защото дължината на дънките се появява в дискусии за относителната роля на налягането и гравитацията в дадена среда и тези аргументи са толкова прости и естествени, че сами по себе си не изискват всъщност познаване на общата картина на гравитационната нестабилност. Много е важно, че в разширяваща се среда съотношението между размера на нарушената площ и дължината на денима се променя с течение на времето. По-долу ще видим, че в епохата преди рекомбинацията на космическата плазма дължината на дънките се увеличава пропорционално на времето, отчетено от началото на разширяването. Размерът на смущенията нарастваше само като квадратен корен на времето, в съответствие с общия закон на вариацията на всички разстояния в разширяващия се свят. (Размерът на буците, усилен от гравитационната нестабилност, се увеличава още по-бавно, тъй като тяхното разширяване изостава леко след общото космологично разширение.) Ако в някои ранни времена размерът на възмущението надвишава дължината на дънките, тогава по-късно може да се окаже да е по-малък. Тогава гравитационната нестабилност в този регион спря и, както показва теорията, смущенията на везни, по-малки от дължината на дънките, се превърнаха в пулсираща кондензация и разреждане, подобно на звукови вълни в среда. Амплитудата на такива вълни не се променя по време на разширяването (преди епохата на рекомбинацията) и техните дължини на вълните се увеличават заедно с общото разширяване на света. Космическата среда през първите милиони години на разширяване е била смес от плазма и радиация, взаимодействайки помежду си поради електромагнитните сили, които ги свързват. Фотоните преобладават както по брой, така и по плътност. Във Вселената има около милиард пъти повече фотони, отколкото електроните и протоните. Що се отнася до плътността, фотоните нямат маса в покой и следователно тяхната "плътност на покой" е нула; те обаче имат енергия и определена маса винаги е свързана с енергия. Според формулата на Айнщайн E = Mc 2 всяка маса M съответства на енергия E и обратно, всяка енергия E съответства на маса M; масата и енергията са пропорционални един на друг и коефициентът на пропорционалност е квадратът на скоростта на светлината.

структура
предгалактическа

В тази смес от космическа плазма и радиация доминира радиацията и еластичността на средата и налягането в нея зависят от нея. Съответно скоростта на звука в такава среда се определя от радиация, фотони. В обикновен газ скоростта на звука почти точно съвпада със средната скорост на топлинно движение на молекулите. В газ от фотони топлинната скорост е скоростта на светлината, с която се движат всички фотони. По тази причина скоростта на звука в газ от фотони (с незначителна примес на плазма) е близка до скоростта на светлината: u = c/sqr3 Познавайки скоростта на звука, е възможно да се изчисли дължината на дънките по общо съотношение, което беше дадено по-горе: дължината на дънките е u/sqrGp. Тук p трябва да се разбира като общата плътност на космическата среда - сумата от плътностите на материята и радиацията. Но ние знаем, че има проста връзка между плътността на света p в даден момент и времето t, което е изтекло до този момент от началото на космологичното разширение: t = 1/sqrGp. Сравнението на двете съотношения показва, че в ранната Вселена дължината на деним се увеличава пропорционално на възрастта на света. В рамките на не много значителен числеен фактор, тази дължина е просто произведение на скоростта на светлината от времето, изминало до дадения момент от началото на космологичното разширение: ct. Виждаме, че (със същата прецизност) дължината на дънките в ранната Вселена съвпада с разстоянието до хоризонта на света: в края на краищата разстоянието до хоризонта е пътят, изминат от светлината през времето от началото на разширяването. През първите милиони години нарастващите смущения в горещата Вселена излизат извън хоризонта по размер. При удебеляване от този размер причинно-следствената връзка между краищата му е невъзможна: единият ръб „не знае“ какво се случва с другия. Но гравитационната нестабилност действа със същата скорост през целия обем на кондензация и следователно засилва всяко такова нарушение като цяло.

По същество тук ситуацията е същата като при Вселената като цяло: размерът на Вселената е по-голям от разстоянието до хоризонта, няма причинно-следствена връзка с нейните „над хоризонта“ региони и въпреки това Вселената като цяло се разширява редовно, във всичките си региони. За да се изследва гравитационната нестабилност на ранната Вселена, е важно да се знае как масата на денима се променя от един момент във времето, т.е. масата на материята, затворена в регион с размер, равен на дължината на денима. Когато възрастта на света е една секунда, тази маса е относително малка - по-малка от масата на Слънцето. Но той нараства бързо по време на разширяване и на възраст от един милион години е огромна стойност - 10 * 18 слънчеви маси, което е хиляда пъти по-голямо от масите на най-големите галактически клъстери. Под деним тук разбираме само масата на веществото, масата на плазмените частици, затворени в област с размер, равен на дължината на денима; радиацията тук не е включена - тя пак ще се „изпари“ и галактика или куп галактики се образуват само от плазмени частици. Възмущението, което включва толкова плазмени частици, колкото се съдържа в голям галактически клъстер с маса 10 * 15 слънчеви маси, почти винаги има размер, надвишаващ дължината на дънките. Когато светът е на един милион години, настъпи рекомбинация на плазмата, което доведе до рязка промяна във физическите условия в метагалактичната среда. Преди това веществото беше в състояние на плазма и електроните бяха откъснати от йони (главно протони) чрез термични движения; обаче общото охлаждане на средата по време на космологичното разширение постепенно отслабва топлинното движение. И накрая, температурата падна до 3000 градуса, при което електроните и йоните се обединиха, образувайки неутрални атоми. Много е важно рекомбинацията да спре взаимодействието на радиацията и материята, която сега става неутрална. След рекомбинацията радиацията и материята се държат независимо един от друг. Уплътненията в материята продължават да се усилват поради гравитационната нестабилност, но дължината на деним, съответстваща на новите условия и денимната маса, съответстваща на него, рязко спада. Това се дължи на факта, че сега не фотоните, а собствената еластичност на газа определя скоростта на звука в него. При температура от 3000 градуса това е приблизително 6 километра в секунда. Плътността на света в епохата на рекомбинацията се оценява на 3 • 10 * 22 g/cm 3. Вече направихме оценка на денимната маса за такива стойности на скоростта на звука и плътността на средата и установихме, че тя е равна на един милион слънчеви маси. В епохата след рекомбинацията смущения в мащаб, надвишаващ един милион слънчеви маси, се развиват чрез гравитационна нестабилност със същата скорост. През периода от време, когато гравитационната нестабилност в даден мащаб не действа, удебеляването изпитва, както вече казахме, колебания на плътността, амплитудата на които остава постоянна. Мащабните смущения имат предимството да бъдат практически незасегнати от дисипативните процеси. Дисипативните процеси са вискозитетът и топлопроводимостта на средата, като се стремят да изгладят всички смущения в средата и да преобразуват енергията на собствените си движения, свързани с тях, в топлина.

Тези процеси не оказват влияние върху общото космологично разширение, тъй като оставя средата хомогенна и не кара някои слоеве да се плъзгат по други в нея. Но нарушенията на плътността могат да бъдат повлияни от тях. Ефектът от топлопроводимостта е много важен в ранните епохи на космологичното разширение. В ерата на предрекомбинацията, когато материята и радиацията са тясно свързани, те се държат като една среда. Плазмените частици и радиационните фотони участват в смущения в плътността, усилени от гравитационната нестабилност. Такива съвместни нарушения на плазмата и радиацията обикновено се наричат ​​адиабатни нарушения. При адиабатни кондензации плътността и температурата са по-високи, отколкото в околната среда. Но спадът на температурата причинява, както винаги, притока на топлина от по-топла зона към по-студена. Топлопреносът, т.е. топлопроводимостта в среда, която е смес от плазма и радиация, се извършва най-добре от фотоните: те изтичат от зоната на концентрация, като по този начин отвеждат излишната си топлина от концентрацията. Същото се случва и с плазмените частици, но фотонната или, както се казва, лъчиста, топлопроводимост е по-ефективна: първо, фотоните преобладават над плазмените частици както по брой, така и по плътност; второ, за фотоните е по-лесно да напуснат зоната на концентрация, отколкото за електроните или йоните. Фотоните, напускащи района на кондензация, също носят със себе си електрони и йони и следователно настъпва обща резолюция на кондензацията. Както показват J. Silk и G.V.Chibisov, такава лъчиста топлопроводимост изглажда температурните спадове и в същото време намалява самите смущения в адиабатната плътност в космическата смес от материя и радиация. Колкото по-малък е мащабът на смущението, толкова по-ефективно е неговото действие. Последното се дължи просто на факта, че излишните „допълнителни“ фотони напускат малък размер клъстер по-бързо от голям размер клъстер. В резултат на това до епохата на рекомбинацията, когато ефектът на лъчистата топлопроводимост престане, всички адиабатни смущения, съдържащи маси по-малки от 10 * 15 слънчеви маси, се унищожават. Това е много важен резултат. Това означава, че след първите милиони години космологично разширение във Вселената оцеляват само такива адиабатни смущения, които отговарят по маса на най-големите образувания - клъстери и свръх скупчения на галактики. В космогоничната теория, разработена от Я. Б. Зелдович и неговите сътрудници, основана на предположението за съществуването на първични адиабатни смущения, този факт е от ключово значение: развитието на гравитационната нестабилност води в пострекомбинационната епоха до изолиране на бучки с маси 10 * 15 слънчеви маси и повече.