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.
Во-первых, согласно данным о красном смещении, мы должны признать, что галактики разлетаются, — значит, средняя плотность вещества во Вселенной уменьшается. Это общий глобальный процесс, обратный скучиванию вещества под влиянием гравитационной неустойчивости в местах случайных флуктуаций. Как удалось неустойчивости победить всеобщее расширение? Как удалось гравитации вырвать из потока расширения локальные сгущения, превратить их в протогалактики, а протогалактики разбить на звезды?
Во-вторых, в очень горячей начальной Вселенной (а сам факт существования реликтового излучения говорит, что начальная Вселенная была очень горячей) атомы существовать не могут: при высоких температурах в атомах электроны отрываются от ядер (этот процесс хорошо известен и называется ионизацией). Все вещество горячей Вселенной было, несомненно, ионизовано: оно представляло собой в основном отдельные ядра атомов водорода (протоны без электронов) и отдельные ядра атомов гелия (состоящие из двух протонов и двух нейтронов каждое), ну и множества отдельных электронов, свободно летающих между ними. Но все наши знания физики говорят о том, что частицы электромагнитного излучения — фотоны — очень хорошо взаимодействуют со свободными электронами. Это значит, что фотоны должны сталкиваться с электронами и отскакивать от них (рассеиваться на них). Расчеты показали, что давление фотонов должно было препятствовать нарастанию плотности протонов и электронов, то есть начальная флуктуация на самом деле не могла усиливаться! Давление частиц света должно было препятствовать развитию гравитационной неустойчивости. А света в начальной Вселенной хватало: выше уже указывалось, что фотонов было в миллиард раз больше, чем протонов и электронов, и это мы точно знаем по характеристикам реликтового излучения.
Итак, до тех пор, пока вещество было ионизованным, небольшие случайные флуктуации плотности, погруженные в океан горячего реликтового света, развиваться не могли. И только к тому времени, когда плотность и температура раскаленной смеси из света и частиц уменьшилась за счет общего расширения Вселенной (в единице объема стало меньше и частиц, и фотонов), замедлившиеся ядра водорода и гелия смогли захватывать электроны и становиться электрически нейтральными частицами — атомами. Взаимодействие фотонов с такими частицами резко изменилось: среда стала прозрачной для света, и фотоны стали свободно двигаться сквозь пространство, проходя сквозь газ из водорода и гелия[48].
Поэтому только с того момента, когда остывающее вещество во Вселенной стало электрически нейтральным, электромагнитное излучение должно было перестать мешать гравитации усиливать флуктуации, формируя протогалактики. Но тогда масштаб ряби на карте реликтового излучения должен был получиться иным — совсем не тех угловых размеров, которые зафиксировали спутники.
Что-то было не так. Концы с концами не сходились. В чем же дело?
В этой книге уже не раз говорилось, что основная сила, которая действует во Вселенной, управляя движениями и многими процессами, — это гравитация. Это удивительное свойство пространства искривляться под воздействием массы (или энергии), размещенной в этом пространстве, как говорит общая теория относительности Эйнштейна, либо свойство тел, обладающих массой, притягивать к себе другие подобные тела, как гласит классическая теория тяготения Ньютона.
Тяготение уже не раз позволяло открывать объекты, которые было сложно (или невозможно) обнаружить по их электромагнитному излучению (свету). Так, можно напомнить, что именно по возмущениям орбиты Урана, вызванным притяжением Нептуна, удалось рассчитать положение Нептуна, навести туда телескоп и впервые увидеть ранее неизвестную планету. В наше время по движениям наблюдаемых в радиодиапазоне звезд в центре нашей Галактики, движущихся с бешеными скоростями вокруг чего-то невидимого, была зафиксирована (поймана с поличным!) сверхмассивная черная дыра, а по скоростям упомянутых звезд удалось определить ее массу. Именно изучение гравитации позволило сделать и еще одно выдающееся открытие, которое изменило картину мира и позволило понять, как первичные флуктуации превратились в галактики.
Человеку свойственно мыслить аналогиями и искать в неизвестном уже известное. Вильям Гершель в свое время считал, что Солнце — объект твердый и вполне холодный (как Земля), предполагая, что все небесные тела устроены примерно одинаково[49]. В начале ХХ века была популярной планетарная теория атома: считалось, что электроны летают вокруг ядра атома, состоящего из протонов и нейтронов, как планеты вокруг Солнца[50]. Нередко можно слышать (даже от студентов), что и Галактика устроена так же, как Солнечная система: в середине (в центре масс) находится сверхмассивная черная дыра, а вокруг нее, как планеты вокруг Солнца, движутся многочисленные звезды.
Эта аналогия неверна. Дело в том, что масса Солнца составляет более 99 % всей массы Солнечной системы, а все планеты с их
