Проблема происхождения вращения

 

Вся материя Вселенной находится в непрерывном движении. И одним из наиболее распространённых видов движения является вращение. Земля вращается вокруг своей оси и, кроме того, вращается вокруг Солнца. Солнце также вращается вокруг своей оси. Все планеты Солнечной системы движутся почти в одной плоскости, вращаясь вокруг Солнца в одном и том же направлении. В результате такого совместного вращения момент импульса Солнечной системы получается очень большим, приблизительно» 3×10⁴³ кг×м²/с (при этом вклад Солнца составляет менее 1% [143]).

Почему Солнечная система обладает таким большим моментом импульса?

Предполагается, что Солнечная система образовалась в результате гравитационного сжатия газопылевого облака. Нетрудно представить себе такую картину. Огромное облако газа и пыли медленно сжимается под действием гравитационных сил. Если при этом облако вращается как целое, то по мере сжатия радиус облака будет уменьшаться, а скорость его вращения, наоборот, возрастать таким образом, чтобы полный момент импульса оставался постоянным.

А почему облако, из которого образовалась Солнечная система, вращалось как целое? Это облако образовалось внутри нашей Галактики, и поэтому участвовало в общем вращении Галактики. Таким образом, подняв вопрос о происхождении вращения Солнечной системы, мы переходим к вопросу о происхождении вращения нашей Галактики.

Все звёзды галактического диска (а это основная часть галактической массы) вращаются вокруг центра Галактики. Скорость движения звёзд зависит от расстояния до центра и составляет сотни километров в секунду. Например, Солнечная система движется вокруг галактического центра со скоростью 220 км/с [143].

Полный момент импульса Млечного Пути огромен и по порядку величины приблизительно равен:

L _МП» 10⁶⁷ кг×м²/с (4.8)

Почему Млечный Путь вращается как целое и имеет такой огромный момент количества движения?

Согласно общепринятому сценарию образования галактик Млечный путь, как и любая другая галактика, образовался в результате сжатия разреженного облака газа. И даже если это облако вращалось как целое с небольшой скоростью, то по мере сжатия скорость его вращения должна была возрастать.

Такое объяснение происхождения вращения нашей Галактики выглядит вполне правдоподобным. Точнее оно выглядело правдоподобным, пока Хаббл не открыл расширение Вселенной. Но после открытия Хаббла ситуация радикально изменилась. Ведь теперь получается, что газовое облако, из которого образовалась наша Галактика, когда-то, в далёком прошлом занимало очень малый объём пространства и поэтому не могло обладать большим моментом импульса!

Действительно, в очень далёком прошлом вся материя Вселенной находилась в сверхплотном состоянии, и средняя плотность вещества была близка к ядерной (это предполагается как в теории горячей Вселенной, так и в теории взрывающейся Вселенной). Нетрудно оценить размер R области, в которой находилось в то время вещество нашей Галактики:

R» (4.9)

Здесь М _МП» 3×10⁴¹ кг – масса нашей Галактики, r_яд» 10¹⁸ кг/м³ – плотность атомных ядер.

Согласно теории горячей Вселенной, которая основана на уравнениях общей теории относительности, величина скорости света в ранней Вселенной была точно такой же, как и в настоящее время. Исходя из этого, можно оценить максимально возможный момент импульса L _max, который могло бы иметь вещество нашей Галактики, когда средняя плотность Вселенной была близка к ядерной:

L _max» М _МП× R × c» 3×10⁴¹кг×10⁸м×3×10⁸м/с = 10⁵⁶ кг×м²/с (4.10)

Это на одиннадцать порядков меньше, чем момент импульса нашей Галактики (4.8)!

Итак, теперь мы можем сформулировать одну из основных проблем современной космологии – проблему происхождения вращения галактик. Мы сформулируем эту проблему на примере Млечного пути, но с таким же успехом мы можем рассмотреть и любую другую галактику.

В настоящее время вещество Млечного пути занимает достаточно большой объём пространства и обладает суммарным моментом импульса порядка 10⁶⁷ кг×м²/с (4.8). Однако в далёком прошлом это же вещество занимало очень небольшой объём пространства и если и обладало моментом импульса, то не более, чем 10⁵⁶ кг×м²/с (4.10). В связи с этим возникает два вопроса.

Вопрос первый. Почему в ранней Вселенной, состоящей из горячего газа, огромные массы вещества оказались в состоянии вращения, несмотря на то, что Вселенная в целом не вращается?

Вопрос второй. Каким образом момент импульса этих вращающихся масс (зародышей будущих галактик) смог вырасти за время расширения Вселенной в сто миллиардов раз?

В современной космологии нет вразумительного ответа ни на первый, ни на второй вопрос. Вот, например, что написано о происхождении вращения галактик в Физической энциклопедии [54]:

 

Проблема происхождения вращения галактик подробно обсуждалась в 70-е годы 20 века в связи с различными теориями образования крупно-масштабной структуры Вселенной. По‑видимому, популярная в прошлом гипотеза обмена галактик угловым моментом при их близком пролёте (за счёт действия приливных сил) не согласуется с данными наблюдений. Вращение галактик связано, скорее всего, с их образованием из сильно турбулизированного газа. Турбулизация газа на догалактической стадии эволюции Вселенной могла произойти под воздействием сильных ударных волн, возникающих при образовании «блинов» (из которых формируются затем скопления галактик) или при ядерных взрывах звёзд первого поколения. Анализ ряда численных моделей образования галактик показывает, что существенное влияние на вращение галактик могло оказать слияние галактик в ходе эволюции структуры Вселенной. В целом проблема происхождения вращения галактик ещё не решена.

 

Наша Вселенная, по крайней мере, её наблюдаемая часть, как целое не вращается. Факт равенства нулю угловой скорости вращения Вселенной установлен с высокой степенью точности по измерению анизотропного реликтового излучения [3,196].

Согласно теории горячей Вселенной примерно 15 миллиардов лет назад вещество наблюдаемой Вселенной представляло собой сильно сжатый горячий газ, который равномерно расширялся во все стороны. Каким образом в расширяющемся газе, который как целое не вращался, и который обладал высокой степенью однородности, смогли прийти во вращение огромные массы вещества?

Я думаю, что ответить на этот вопрос, находясь в рамках теории горячей Вселенной, невозможно. Высказывалось, правда, предположение, что ранняя Вселенная была сильно турбулентной, то есть в ней изначально существовали вихри вещества, из которых впоследствии образовались галактики [66,с.391].

Но, во-первых, постулировав, что вихри вещества существовали изначально, мы не решаем проблему происхождения вращения, а уходим от неё. Во-вторых, сильно турбулентная ранняя Вселенная противоречит современным данным о высокой изотропии реликтового излучения. И, наконец, в-третьих, даже если галактическое вещество изначально вращалось, то каким образом его момент импульса смог возрасти в сто миллиардов раз, чтобы достичь современного значения?

 

Почему галактики вращаются?

 

И, тем не менее, проблема происхождения вращения галактик легко решается, если её рассматривать в рамках теории взрывающейся Вселенной. Согласно этой теории при расширении Вселенной постоянная Планка возрастает. Рост постоянной Планка вызывает фазовый переход нейтронного вещества из состояния с большей плотности в состояние с меньшей плотностью, и в результате оно взрывается (см. параграф 4.2).

Особенно быстро в процентном отношении постоянная Планка возрастала в ранней Вселенной. Именно поэтому наиболее мощные взрывы происходили в то далёкое время. Мы будем называть первой серией взрывов взрывы, происходившие в результате самого первого фазового перехода, когда сверхплотное вещество ранней Вселенной распалось на миллиарды удаляющихся друг от друга осколков. Дальнейшее увеличение постоянной Планка вызвало второй фазовый переход нейтронного вещества в ещё менее плотное состояние и, как следствие, – вторую серию взрывов, в результате которой первичные осколки также распались на миллиарды удаляющихся друг от друга частей. Дальнейшее увеличение постоянной Планка вызвало третью серию взрывов и так далее. Этот процесс продолжается и в настоящее время – рост постоянной Планка вызывает взрывные процессы в ядрах галактик. И вполне возможно, что старые нейтронные звёзды со временем также взрываются.

Постоянная Планка определяется гравитационным потенциалом Вселенной (4.15) и поэтому возрастает прямо пропорционально квадратному корню из радиуса Вселенной:

ħ ~ (4.11)

В настоящее время радиус Вселенной увеличивается примерно на 10% за 1,5 миллиарда лет (если принять, что возраст Вселенной составляет примерно 15 миллиардов лет). А когда возраст Вселенной составлял миллион лет, её радиус увеличивался примерно в два раза также за один миллион лет. То есть с течением времени активность сверхплотного вещества очень сильно падает, так как скорость роста постоянной Планка уменьшается с возрастом Вселенной. Например, активные ядра галактик несколько миллиардов лет назад были гораздо активнее и представляли собой квазары. А к настоящему времени активность квазаров сильно уменьшилась, и они «превратились» в обычные галактические ядра.

Наиболее мощные взрывы происходили в ранней Вселенной, когда её возраст не превышал сотен миллионов лет. Именно в то время сформировалась крупномасштабная структура Вселенной. Причём, сначала, в результате первой серии взрывов, сформировалась структура Вселенной в самых больших масштабах. И в этих масштабах Вселенная более-менее однородна. В результате второй серии взрывов сформировалась так называемая «пузырьковая» структура Вселенной (смотри, например, [184]).

В результате третьей серии взрывов образовались сверхплотные тела – зародыши будущих сверхскоплений галактик. В результате четвёртой серии взрывов эти сверхплотные тела, в свою очередь, также распались на менее массивные сверхплотные тела – зародыши будущих скоплений галактик. А эти зародыши, в результате пятой серии взрывов, распались на квазары, из которых впоследствии образовались небольшие группы галактик, состоящие, как правило, из одной крупной галактики и десятка небольших галактик-спутников.

Деление взрывов на серии носит предварительный характер и нуждается в уточнении. Для составления более подробной картины происхождения галактик и их скоплений нужны более подробные данные о современном состоянии Вселенной. Эта тема будет продолжена в главе 7.

В рамках теории взрывающейся Вселенной все её структуры, в том числе и скопления галактик, образовались в результате взрывов сверхплотных тел. Согласно этой точке зрения происхождение вращения галактик и даже вращения скоплений галактик выглядит вполне естественно: объект, не обладающий каким-либо вращением, взорвавшись, распадётся на осколки, которые так или иначе будут вращаться вокруг своей оси.

И теперь нам осталось ответить только на второй из двух вопросов, сформулированных в предыдущем параграфе: каким образом момент импульса этих вращающихся осколков – зародышей будущих галактик смог вырасти за время расширения Вселенной в сто миллиардов раз?