§ 8. Теория энтропийных возмущений

В теории горячей Вселенной существует особый тип возмущений, которые в принципе могут привести к выделению отдельных, обособленных, гравитационно связанных тел на современной стадии, при полном отсутствии возмущений метрики, плотности, скорости на ранней стадии и, в частности, вблизи сингулярности. Общая характеристика этих так называемых энтропийных возмущений была дана в § 4 гл. 10 и § 6 гл. 11. Напомним основной вывод: энтропийные возмущения с длиной волны, соответствующей массе остаются практически постоянными вплоть до момента рекомбинации. После рекомбинации в нейтральном водороде энтропийные возмущения превращаются в возмущения плотности и далее в растущие потенциальные возмущения при и в затухающие звуковые волны при Здесь будет рассмотрена возможная роль энтропийных возмущений в образовании современной структуры Вселенной.

Можно сделать крайнее предположение, что вначале, вблизи сингулярности, имели место одни только энтропийные возмущения.

На первый взгляд такая гипотеза приводит к следствиям, не отличающимся от гипотезы адиабатических возмущений. Нужно только так подобрать спектры энтропийных возмущений и адиабатических возмущений (на РД-стадии), чтобы они дали одинаковый спектр растущих потенциальных возмущений на поздней стадии, после рекомбинации.

Однако объективно существующее глубокое различие двух гипотез, двух типов возмущений (энтропийных и адиабатических) здесь скрыто за допущением подбора начального спектра. Существует понятие «естественного» начального спектра. Это понятие несколько расплывчато — и не удивительно, так как нет фундаментальной теории начальных возмущений.

Определение «естественного» спектра сегодня скорее негативно: в естественном начальном спектре не должно быть особенностей (дельта-функций, разрывов, изломов, максимумов или минимумов) в момент достаточно близкий к сингулярности, когда все интересующие нас длины волн гораздо больше горизонта

«Естественным» можно считать появление особенностей в результате тех или иных физических процессов на более поздних стадиях при определенных длинах волн. Примером таких длин волн является горизонт на момент рекомбинации. Масса вещества в шаре

с таким радиусом Другой пример — длина волны затухания адиабатических возмущений на тот же момент, она охватывает массу порядка Наконец, третий пример — джинсовская длина волны неустойчивости для нейтрального водорода охватывает массу порядка

Совпадение особенностей первичного спектра с характерными длинами, появляющимися (проявляющимися) на более поздней стадии, было бы случайностью, представляется искусственным, а поэтому противоречит понятию естественного первичного спектра.

Поэтому для адиабатических возмущений естественным считался спектр, не имеющий изломов при после рекомбинации в таком спектре появляются особенности, например максимум в окрестности связанный с затуханием адиабатических колебаний на предыдущем этапе. Для рассматриваемых здесь энтропийных возмущений естественным является спектр, не имеющий изломов при После рекомбинации единственной особенностью спектра растущих возмущений оказывается максимум около Этот максимум образуется вследствие того, что скорость нерастания возмущений обращается в нуль на джинсовской длине волны нейтрального водорода.

Какова дальнейшая судьба возмущенного вещества?

Если начальная амплитуда возмущений достаточна, то они успевают возрасти до при т. е. возмущения станут большими раньше сегодняшнего дня.

Для нелинейной стадии характерна существенная роль давления газа. Напомним, что именно давление газа обусловило величину джинсовской массы. Поэтому для рассматриваемых возмущений давление радикально влияет и на нелинейную стадию; приближенная нелинейная теория, изложенная выше (§ 2 гл. 13), здесь неприменима, «блинов» не будет!

Напомним картину эволюции однородной плазмы При происходит рекомбинация. Одчако еще долгое время, вплоть до сохраняется тепловой контакт между излучением и материей; при этом . До тех пор, пока джинсовская масса остается постоянной. Если возмущения с нарастают в этот период, то давление включается сразу и останавливает рост возмущений при рвещ, всего в несколько раз большей средней плотности газа, т. е. порядка атомов/см для

Такие тела оказываются гравитационно связанными; в дальнейшем окружающий газ расширяется в соответствии с общим хаббловским расширением, но гравитационно связанные тела сжимаются по мере их охлаждения. В условиях, когда уже небольшое сжатие приводит к увеличению давления (благодаря

адиабатическому закону роста давления, для одноатомного газа), останавливающему сжатие, можно ожидать образования сферических плотных облаков — может быть, с небольшой сплющенностью, если тело приобрело вращательный момент

Какова дальнейшая судьба таких облаков, какова их роль в формировании общей структуры?

В работе Дорошкевича, Зельдовича и Новикова (1967а) была сделана попытка получить всю структуру Вселенной как следствие описанного выше типа возмущений. Была выдвинута гипотеза, что плотные облака превратятся в сверхзвезды и быстро, может быть со взрывом, выделят ядерную энергию.

Ядерная энергия сгорания водорода в гелий — около на протон — в раз больше энергии ионизации и нагрева водорода до Следовательно, сверхзвезда может прогреть и «возмутить» массу газа, во много — например, в раз — большую массы самой сверхзвезды. Достаточно того, чтобы «на хвосте гауссовского распределения» доля всего вещества превратилась в сверхзвезды и сгорела, как остальное вещество радикально изменяет свои свойства. Дальнейшие процессы пойдут уже под решающим влиянием нагрева и возмущений от первых сверхзвезд. Авторы надеялись эскалацией масштабов дойти до характерного размера скоплений галактик — порядка . О взрывах сверхзвезд см. Бисноватый-Коган (1968), Фрике (1973).

Другая гипотеза высказана Дикке и Пиблсом (1968); см. также Пиблс (19676). Они предполагают, что энтропийные возмущения ответственны за рождение так называемых шаровых скоплений. Шаровые скопления состоят из звезд, близких по светимости и массе к Солнцу, так что масса шарового скопления также порядка Они отличаются большой плотностью: размер их порядка и средняя плотность Отмечается стабильность плотности: плотность различных шаровых скоплений (даже принадлежащих к различным галактикам) приблизительно одинакова.

Значительная часть шаровых скоплений выделяется также малым содержанием элементов тяжелее гелия и металлов, о чем судят по спектрам звезд, входящих в состав этих скоплений.

Наконец, в нашей Галактике (и других галактиках) шаровые скопления принадлежат сферической составляющей: среднее удаление их от плоскости симметрии Галактики составляет тогда как молодые открытые скопления имеют среднее удаление

Все перечисленные особенности говорят о том, что шаровые скопления, вероятно, являются древнейшими составными частями Галактики. Обзор см., например, сборник Холопов (редактор) (1962).

Гипотеза Дикке и Пиблса сразу объяснила (по порядку величины) характерную массу шаровых скоплений. Развивая этот успех, авторы пришли к выводу, что значительная доля вещества (около половины) может разбиться на гравитационно связанные тела с массами порядка Часть этих тел превращается в шаровые скопления, т. е. разбивается на звезды, остающиеся гравитационно связанными между собой, но большая часть путем столкновений и приливных взаимодействий рассеивается. В нашей Галактике шаровые скопления составляют около 0,1% полной массы.

Недавно судьбу сферического облака газа исследовала Рузмайкина (1972). Ситуация оказалась сложной, зависящей от большого числа процессов — образования молекул и их излучения и т. п. В возможном разбиении газового облака с массой на звезды существенную роль играет тепловая неустойчивость. Наряду с превращением облака в шаровые скопления или взрывающуюся сверхзвезду, автор отмечает возможность прямого коллапса с возникновением «черной дыры».

В гипотезе Дорошкевича, Зельдовича и Новикова (1967а) сделана попытка увязать раннее образование сверхзвезд с разбиением вещества на более крупные единицы. В гипотезе Дикке и Пиблса молчаливо предполагается, что эти два процесса между собой не связаны. Какие-то (адиабатические) возмущения имеют большой масштаб и создают скопления галактик и галактики. В первом приближении безразлично, действуют ли эти возмущения на газ из отдельных атомов или на газ, «атомами» которого являются облака с массой около каждое.

Однако в действительности детальная картина изменяется существенно.

В отсутствие энтропийных возмущений газ даст структуру, подробно описанную в § 2 этой главы. Если же газ распался на облака, то эти облака могут «проскакивать» одно мимо другого, и плотный холодный слой не образуется. Подробно теория с двумя видами начальных возмущений до настоящего времени не разрабатывалась.

В принципе можно задаться пологим спектром одних только энтропийных возмущений и подобрать показатель так, чтобы в масштабе порядка обособление произошло, например, при но в большем масштабе — например 1013 или возмущения стали бы порядка единицы при Трудности такой концепции возникают при экстраполяции пологого спектра в

область еще более длинных волн. Эта сторона дела обсуждается в следующей главе в связи с наблюдениями реликтового излучения.

Выше рассматривались следствия возможной большой амплитуды энтропийных возмущений. Поставим вопрос о том, возможна ли теория без заметной роли энтропийных возмущений. Ясно, что шаровые скопления при этом придется объяснять как-то иначе.

Другая сторона дела заключается в том, что адиабатические возмущения на ранней РД-стадии обязаны были создавать энтропийные возмущения.

Методами § 3 гл. 13 можно показать, что есть два механизма возникновения энтропийных возмущений — диссипация энергии, — и ударные волны —

Для длин волн, ответственных за образование скоплений галактик с с соответствующей амплитудой — оба механизма дают ничтожное Таким образом, ответ целиком определяется тем, как спектр из начальных адиабатических возмущений экстраполируется в области малых масс. Поэтому теория с пренебрежимыми энтропийными флуктуациями вполне возможна, не противоречит общим принципам.