Возникновение структуры


Если наша Вселенная начиналась как горячий, аморфный огненный шар, то как образовались наблюдаемые сейчас структуры - звезды, галактики и скопления? Это - естественный результат действия гравитации, которая с течением времени усиливает даже очень слабые начальные неоднородности в заметные различия плотности.

В настоящее время теоретики могут моделировать на компьютере виртуальные вселенные. Небольшие флуктуации вносятся в начальные условия для моделирования. Когда Вселенная расширяется, появляются зародыши галактик и больших структур, которые эволюционируют. Чисто гравитационные детали этого процесса моделируются достаточно хорошо. Однако, когда газ под действием гравитации сжимается в протогалактику, его плотность должна возрасти на много порядков, перед тем как начнется образование звезд. Сложная динамика и перенос излучения определяют, какими будут их массы. Более того, вклад энергии от первых звезд оказывает влияние на весь последующий процесс, которое определяется ненадежно. Эти процессы слишком сложны для расчетов и должны быть аппроксимированы с помощью правдоподобных "рецептов", выбранных на основании данных наблюдений.

Несмотря на эти ограничения, моделирование образования структуры достигло замечательных успехов в объяснении существующей морфологии галактик и скоплений. Более того, эти модели можно проверить, рассмотрев, как они согласуются с новыми данными исследований объектов с высокими красными смещениями, которые показывают, как выглядела Вселенная в ранние эпохи.

Имеется еще одна возможность проверки рассчитанных сценариев. При таком моделировании предсказываемые размеры и скучивание галактик зависят от формы и амплитуды начальных флуктуаций. Реликтовое излучение должно нести следы этих флуктуаций и таким образом дать возможность независимым образом оценить их амплитуду. Это излучение в сущности приходит от поверхности, такой далекой, что она наблюдается в эпоху, когда флуктуации имели малую амплитуду. Излучение от зарождающегося скопления на этой поверхности будет иметь немного меньшую температуру, так как оно теряет энергию, выбираясь из гравитационной ямы, созданной повышенной плотностью. Наоборот, излучение из зарождающегося пустого места будет немного горячее. Предсказанные относительные изменения температуры по небу из-за этого эффекта имеют порядок 1/100000. На некоторых масштабах предсказываются немного большие доплеровские флуктуации, возникающие из-за связанных с неоднородностями движений.

Измерение фонового излучения, которое само в 100 раз холоднее атмосферы, с точностью 1/100000 кажется технически практически невозможным. Но это было осуществлено. Флуктуации впервые были измерены Джорджем Смутом и его коллегами, обработавшими данные, полученные спутником COBE за 4 года. Однако, эти измерения были возможны только для угловых размеров, превышающих 7 градусов. Впоследствии они были дополнены и расширены экспериментами, проведенными на поверхности Земли и на воздушных шарах. Амплитуды действительно согласуются с требуемыми для образования галактик. В течение следующих нескольких лет два новых космических аппарата - Зонд анизотропии микроволн НАСА и спутник Планк Европейского космического агентства - должны получить данные, достаточно точные для решения многих ключевых вопросов о космологии, ранней Вселенной и образовании галактик.

В начало
Темная материя, постоянная Омега и первые микросекунды
Вселенная как предмет нашего познания
Литература