Крупномасштабная структура Вселенной
До недавних пор существовало мнение, что максимальными структурными образованиями во Вселенной являются скопления галактик. Однако выяснилось, что структура Вселенной носит ячеисто-сетчатую форму с размером ячейки приблизительно 100 миллионов световых лет. Галактик внутри этих ячеек практически не обнаружено, они располагаются на стенках ячеек. Таким образом, самыми большими структурными образованиями во Вселенной являются ячейки и пустоты (войды). Но при рассмотрении Вселенной в масштабе 300 миллионов световых лет, выясняется, что число галактик оказывается одинаковым вне зависимости от области Вселенной, где проводилось измерение. То есть при масштабе более 300 миллионов световых лет Вселенная однородна и изотропна. Подтверждением этому является однородность и изотропность реликтового излучения.
Теория эволюции крупномасштабных структур
Данные, полученные в ходе исследования реликтового фона, свидетельствуют о том, что в момент отделения от вещества излучения Вселенная являлась однородной, флуктуации вещества были крайне незначительными, и это представляет собой большую проблему.
Второй проблемой является ячеистая структура сверхскоплений галактике и одновременно сфероподобная структура у скоплений меньшего размера.
Каждая теория, ставящая своей задачей объяснение зарождения крупномасштабной структуры Вселенной должна найти решение вышеперечисленных двух проблем и построить правильную модель морфологии галактик.
Теория формирования крупномасштабной структуры в современной науке получила название «иерархической теории». Согласно этой теории, изначально существовали небольшие галактики, размером примерно с Магелланово облако. Со временем эти галактики объединялись, образуя галактики большего размера.
Справедливость этой теории в настоящее время находится под вопросом, чему в большой степени способствовал downsizing.
Downsizing - это принятый в астрофизике и космологии термин, который означает феномен образования крупных галактик раньше мелких.
Однако пока иерархическая теория в современных исследованиях преобладает.
Общие положения теории эволюции крупномасштабных структур
Каждая существующая теория каким-либо образом предполагает, что все образования, существующие во Вселенной, начиная от звезд и заканчивая сверхскоплениями, сформировались в результате первоначальных возмущений.
Классической теорией является теория Джинса. Неустойчивость Джинса – классический случай этой теории, который рассматривает идеальную жидкость. Идеальная жидкость в соответствии с законами Ньютона формирует гравитационный потенциал. В таком случае, из решения уравнения гидродинамики и потенциала можно вывести значение размера возмущения, при котором происходит коллапс:
$λ_j = √((u_s^2) / G_p )$ , где:
- $u_s$ -- скорость звука в среде,
- $G$ -- гравитационная постоянная,
- $c$ -- плотность невозмущенной среды.
Это исследование возможно провести и на фоне расширяющейся Вселенной, в таком случае для упрощения рассматривается величина относительной флуктуации. Тогда классические уравнения примут следующий вид:
$Δ = δ_ρ/ρ$
$∂δ/∂t+Hx∇δ+∇v=0 ∂v/∂t+Hv+H(x∇)v=-v_s^2 ∇δ-∇Ф$
Эта система имеет только одно решение, которое со временем возрастает. Таким решением является уравнение продольных колебаний плотности:
$(∂^2 δ)/(∂^2 t)+2H ∂δ/∂t+(k^2/a^2 v_s^2-4πGρ)δ=0$
Из уравнения продольных колебаний плотности следует вывод, что флуктуации такого же размера являются нестабильными, как и в статическом случае. Рост возмущений происходит линейным образом либо слабее, это зависит от эволюции значения параметра Хаббла и от значения плотности энергии.
В модели Джинса коллапс возмущений в нерелятивистской среде описан достоверно для случая, когда размер возмущений меньше текущего горизонта событий. Для других случаев приходится рассматривать точные релятивистские уравнения.
Период до рекомбинации
Отдельным моментом в эволюции крупномасштабной структуры Вселенной можно выделить момент рекомбинации водорода. До момента рекомбинации водорода действие оказывают одни механизмы, после – другие.
Волны плотности, первоначально большие горизонта событий, не оказывают влияния на плотность материи Вселенной, однако в процессе расширения размер горизонта достигает равного размера с длиной волны возмущения, иными словами, волна входит под горизонт или волна выходит из-под горизонта. По окончании этого периода наблюдается процесс расширения волны, то есть звуковая волна распространяется на расширяющемся фоне.
В этот период под горизонт входят волны не более 790 Мпк. Волны, которые имеют ключевое значение для процесса формирования галактик и скоплений галактик входят в начале этой стадии.
Вещество в этот момент является многокомпонентной плазмой, в ней существует множество разнообразных механизмов затухания всех звуковых возмущений. Самым эффективным механизмов среди них является затухание Силка. После завершения подавления всех звуковых возмущений остаются только адиабатические возмущения.
На протяжении какого-то времени происходит синхронная эволюция обычной и темной материи, однако в результате ее взаимодействия с излучением температура обычного вещества снижается медленнее, происходит термическое и кинематическое разделение барионного вещества и темной энергии.
При начальном плоском спектре возмущений раньше на стадию коллапса выходят возмущения с меньшими масштабами, таким образом, первыми образуются объекты, имеющие меньшую массу.
Для астрономии интересны объекты, имеющие массу 105 М, так как при меньших массах излучение, создаваемое водородом и гелием, стремящимися к центру протогала (вещество, образующееся при коллапсе темной материи), выкидывает газ обратно на окраину протоструктуры. При массах, превышающих 105, начинается процесс формирования звезд.
Вследствие начального коллапса образуются звезды, имеющие большую массу, которые излучают в жесткой части спектра. Жесткие кванты, испущенные в этот момент, сталкиваются с нейтральным водородом и ионизируют его. Следовательно, сразу же после первой вспышки звездообразования происходит вторичная ионизация водорода.
