Образование галактик и реликтовое излучение
В результате эволюции Вселенной от сверхплотного и горячего состояния к настоящему времени осталось обычное вещество, состоящее в основном из водорода и гелия, реликтового излучения с температурой 2,7°К и реликтового нейтрино с температурой около 2°К. Эти три компоненты не взаимодействуют между собой и несут нам почти в чистом виде информацию о процессах, имевших место в моменты их «отрыва» друг от друга.
Нейтрино несет информацию о процессах, имевших место где-то около 10-2 с после начала расширения Вселенной. Так как наблюдать эти нейтрино пока еще не удается, эта информация для нас закрыта. Мы можем только строить предположения об условиях, существовавших в тот момент.
Реликтовое излучение несет нам практически в чистом виде информацию о процессах, имевших место в период отрыва вещества от излучения, т. е. о моментах времени где-то около 106 лет после начала расширения (). Как мы видели, благодаря наличию в современную эпоху реликтового излучения был сделан вывод не только о высокой плотности вещества, но и о его высокой температуре в прошлом. Это позволило объяснить наблюдаемое содержание гелия во Вселенной. В принципе мы должны ожидать, что и вещество нам должно нести информацию об этом же периоде. Но здесь мы сталкиваемся с проблемами, связанными с грандиозными процессами, происходившими и происходящими с веществом в процессе расширения Вселенной.
В то время как реликтовое излучение в процессе расширения меняло только свою температуру и не меняло форму спектра, оставаясь все время чернотельным излучением, вещество испытывало фундаментальные изменения как структуры, так и своей температуры. Мы уже говорили, что после развязки излучения от вещества, которая произошла около миллиона лет после начала расширения Вселенной, вещество рекомбинировало и стало охлаждаться быстрее излучения. В силу этого в настоящее время следовало бы ожидать, что температура вещества ниже 2,7° К (см. рис. 9). При такой температуре все вещество должно находиться в нейтральном состоянии. Конечно, в этот период шли процессы образования галактик и других объектов, но если даже предположить при этом, что почти 99,999% вещества сконденсировалось в галактики (эта оценка является самой оптимистической в современной теории образования галактик), то мы должны ожидать в межгалактическом пространстве хотя бы 0,001% вещества, находящегося в нейтральном состоянии. Так как основной компонентой вещества во Вселенной является водород, то следовало бы ожидать излучения этого холодного водорода в диапазоне длин волн 21 см. Точнее, должна наблюдаться «ступенька» излучения в этом диапазоне, о которой мы говорили ранее (см. рис. 4) при обсуждении фонового радиоизлучения. Поскольку это излучение не наблюдается, вещество либо нагрето до температур выше 105°К (водород находится в ионизованном состоянии и такое радиоизлучение отсутствует), либо межгалактического газа нет. По современным представлениям последнее маловероятно. Поэтому мы должны подробнее остановиться на предположении о высокой температуре межгалактического газа.
Перед тем как обсуждать проблемы, связанные с наличием горячего межгалактического газа, имеет смысл подробнее остановиться на процессах взаимодействия реликтового излучения с веществом. Одним из основных процессов взаимодействия ионизованного вещества с реликтовым излучением является процесс комптоновского рассеяния. При комптоновском рассеянии (рис. 10, а) электрон сталкивается с фотоном, в результате чего образуется рассеянный фотон с измененной частотой и рассеянный электрон — электрон отдачи — с измененной энергией. Исторически сложилось так, что комптоновское рассеяние, при котором электрон забирает часть энергии от фотона (т. е. частота рассеянного кванта уменьшается, а энергия электрона увеличивается), называют прямым, или обычным, Комптон-эффектом. Комптоновское рассеяние, при котором частота рассеянного фотона увеличивается, а энергия электрона убывает, обусловлено обратным Комптон-эффектом. В общем случае в плазме идут как прямой, так и обратный Комптон-эффекты.
Комптоновское рассеяние; тормозное излучение
Ясно, что если имеется термодинамическое равновесие между ионизованным веществом и излучением и это равновесие осуществляется за счет эффективного комптоновского рассеяния, то имеет место баланс между прямым и обратным Комптон-эффектами, который и поддерживает это равновесие. При этом температура излучения равна температуре вещества. Как только термодинамическое равновесие нарушается-, то начинают преобладать либо прямой, либо обратный Комптон-эффекты. А это может вызвать систематическое уменьшение или увеличение частот в спектре излучения и привести к характерным искажениям спектра излучения. Например, мы видели, что в процессе расширения Вселенной при z=zрек ~ 1400 вещество рекомбинирует и перестает находиться в термодинамическом равновесии с реликтовым излучением. Это связано с тем, что нейтральное вещество слабо взаимодействует с излучением. Любой нагрев вещества, его ионизация, должен приводить к эффективному комптоновскому взаимодействию с излучением. Так как между реликтовым излучением и веществом нет термодинамического равновесия, то будут преобладать либо- прямой, либо обратный Комптон-эффекты, приводящие к специфическим искажениям спектра реликтового излучения. Наблюдения этих искажений должны нам дать информацию о процессах энерговыделения во Вселенной, начиная с момента zрек и до настоящего момента.
Искажение спектра реликтового излучения из-за комптоновского рассеяния не обязательно связано с энерговыделением в моменты, когда вещество было нейтральным. Например, это искажение имеет место и тогда, когда энерговыделение происходит и в уже сильно ионизованном газе, находившемся в термодинамическом равновесии с излучением до момента рекомбинации. Таким образом, наблюдения отклонений спектра реликтового излучения от чернотельного могут дать информацию также о процессах энерговыделения и до момента рекомбинации водорода вплоть до г=105(соответствует времени 1010 с с момента начала расширения). Последнее означает, что любое энерговыделение на более ранних этапах расширения Вселенной успеет переработаться, формируя чернотельное излучение (т. е. к моменту рекомбинации между веществом и излучением восстанавливается термодинамическое равновесие).
Другим важным процессом, который может привести к заметным искажениям спектра реликтового излучения, является процесс тормозного излучения горячей плазмы (рис. 10, б). При этом процессе электрон, пролетая мимо протона — ядра атома водорода, — меняет свою траекторию под действием кулоновского притяжения ядра. Изменение траектории связано с ускоренным движением электрона, а любое ускоренное движение заряженной частицы приводит к ее излучению. Причем чем выше температура плазмы, тем больше скорость электрона, тем более высокие частоты излучаются. В частности, при определенных температурах плазмы ее излучение может приходиться на диапазон частот реликтового излучения. Таким образом, если в какой-то момент в прошлом газ был значительно нагрет и не находился в термодинамическом равновесии с излучением, то это должно было привести к увеличению числа квантов в определенном диапазоне длин волн реликтового излучения, и в этом диапазоне длин волн измеряемая температура реликтового излучения должна была оказаться выше 2,7°К.
В связи с наличием горячего межгалактического газа возникает естественный вопрос о возможности того, что этот газ был всегда нагрет до такой высокой температуры, т. е. он никогда не рекомбинировал. При этом предположении и в силу адиабатического охлаждения газа при расширении Вселенной следует, что, начиная с момента времени, соответствующего времени рекомбинации водорода, существовал подогрев газа до температуры выше соответствующей для рекомбинации. Таким образом, мы приходим к ситуации, когда температура вещества превышает температуру излучения. В этом случае, кроме адиабатического охлаждения газа из-за расширения Вселенной, газ должен более эффективно охлаждаться, передавая свое тепло реликтовому излучению. Основной механизм охлаждения газа — обратный Комптон-эффект электронов горячей плазмы на реликтовом излучении. Мы видели, что при обратном Комптон-эффекте энергия электрона уменьшается, а частота фотона увеличивается. Конечно, идет и обратный процесс — обычный Комптон-эффект. Оказывается, когда температура плазмы выше температуры излучения, основную роль играют потери энергии электроном при обратном Комптон-эффекте. Эти два механизма охлаждения вещества требуют мощных источников подогрева для поддержания высокой температуры межгалактической среды. Анализ физических условий во Вселенной после момента рекомбинации показывает, что, в рамках горячей модели, самый эффективный подогрев газа может быть обеспечен при ядерных реакциях синтеза гелия из водорода. Мы видели ранее, что основная масса гелия образовалась в конце лептонной и начале радиационной эры, где-то около zHе ~ 3 • 107 (около tHе ~ 103— 104 с после начала расширения Вселенной).
Неопределенность теории и особенно наблюдательных данных по содержанию гелия во Вселенной допускает возможность, что по крайней мере 5% наблюдаемого гелия образовалось в более поздние моменты времени. Если же учесть в наблюдаемом содержании вклад гелия, который образовался в результате последующего синтеза внутри звезд, то эту оценку можно несколько снизить. При предположении, что 5% гелия синтезировалось после рекомбинации водорода, это обеспечит выделение 1017—1016 эрг на каждый грамм вещества во Вселенной. Если теперь исследовать баланс между нагревом вещества и его охлаждением при обратном комптоновском рассеянии, то, несмотря на такой эффективный подогрев, газ все равно должен был быстро остыть и рекомбинировать. Следовательно, мы приходим к выводу о том, что между современным высокотемпературным и ионизованным состоянием вещества и таким же, но более плотным состоянием вещества на более ранних этапах расширения Вселенной был период, когда вещество находилось в холодном нейтральном состоянии. Расчеты показывают, что этот период холодного вещества длился по крайней мере от zрек ~ 1300 до 2—300. Если такое энерговыделение происходило на более поздних этапах расширения Вселенной, более близких к современной эпохе, то в силу уменьшения как плотности реликтового излучения, так и плотности вещества эффективность охлаждения газа сильно уменьшалась, и ионизованный газ мог сохраниться и до настоящего момента, что и наблюдается. Вполне разумно связать этот процесс энерговыделения с образованием галактик во Вселенной.
Обсуждая физические условия в моменты времени после рекомбинации вещества, мы использовали тот факт, что реликтовое излучение является «телом», которое эффективно забирает тепло от вещества. Если на время представить, что реликтового излучения в тот период не было или плотность его была сравнительно малой, то горячий газ мог бы в принципе сохраниться до настоящего времени с ранних эпох. Передача энергии от горячего вещества к реликтовому излучению за счет обратного Комптон-эффекта приводит к искажению спектра реликтового излучения. Так как при обратном Комптон-эффекте кванты в среднем увеличивают свою частоту, это приводит к специфическому уменьшению числа реликтовых фотонов в низкочастотной «рэлей-джинсовской» области спектра и увеличению их числа в высокочастотной «виновской» области. Специфика искажений связана с тем, что при комптсновском рассеянии полное число квантов сохраняется, меняется только их распределение (в отличие от механизмов излучения и поглощения, когда общее число квантов может и не сохраняться). С точки зрения наблюдений такие искажения означают, что температура реликтового излучения в низкочастотной области спектра будет ниже температуры, измеренной в высокочастотной области. Эффективность комптоновского рассеяния сильно зависит от плотности плазмы, так как чем выше плотность плазмы, тем большее число столкновений испытывает фотон и тем сильнее меняется частота фотона. Кроме того, величина искажений спектра реликтового излучения сильно зависит от температуры плазмы, поскольку с повышением температуры увеличиваются скорости электронов плазмы, а следовательно, и изменяется частота фотона при каждом акте рассеяния. Из приведенного анализа следует, что если процессы энерговыделения имели место на более ранних стадиях расширения Вселенной, когда плотность и температура были выше, то следует ожидать больших искажений спектра реликтового излучения. На рис. 11 представлены результаты расчета искажений спектра реликтового излучения из-за взаимодействия с горячим газом, который был нагрет до температуры 3•106°К. Цифры у каждой кривой означают логарифм плотности частиц, при которой произошел нагрев. Жирная кривая соответствует интенсивности излучения абсолютно черного тела с температурой 2,7° К. Плотность вещества, определяемая кривой «6», равна 10-18 г/см3 и приходится на эпоху около 104 лет с начала расширения Вселенной, кривая «0» — через 107 лет после начала расширения. Сравнение таких теоретических кривых с наблюдаемойпозволит сделать вывод о продолжительности энерговыделения во Вселенной.
Ожидаемые искажения спектра реликтового излучения
Теперь мы вплотную подошли к вопросу о времени нагрева межгалактического газа до температур, превышающих 105°К. Что за процессы привели к столь мощному нагреву? Так как этот разогрев произошел при z<300, он, по-видимому, связан с процессами образования объектов Вселенной, таких, как квазары, галактики и их скопления. Простая экстраполяция наблюдаемого разбегания галактик показывает, что при z ~ 3—6 галактики должны были быть близки друг к другу. Поэтому лучше говорить, что как раз в эту эпоху из окружающего однородного и изотропного распределения вещества образовались галактики. Рассматриваемая теория горячей модели Вселенной еще не может в деталях описать этот процесс образования галактик, хотя общую схему образования галактик можно представить себе следующим образом.
Где-то на ранних стадиях расширения Вселенной, на фоне однородного и изотропного распределения вещества существовали флуктуации плотности. В процессе дальнейшего расширения Вселенной флуктуации определенных масштабов, например, с масштабами, соответствующими по массам скоплениям квазаров и галактик, росли, а другие, наоборот, затухали.
Сейчас еще не ясна причина возникновения этих флуктуации и не ясен в деталях процесс рассасывания флуктуации других масштабов. Очевидно одно, что рост возмущений, соответствующих масштабам скоплений, связан с процессом гравитационной конденсации. При гравитационной конденсации небольшое увеличение плотности в рассматриваемом объеме приводит к увеличению силы тяжести и к дальнейшему сжатию вещества. Затем к моменту времени, соответствующему z ~ 3—6, эти флуктуации вырастают настолько, что они представляют обособленные объекты Вселенной. Расчет физических процессов в этих конденсациях показал, что наиболее эффективно процесс сжатия происходил в каком-то одном направлении (анизотропно) и привел к уплощению этих образований. Процесс сжатия и уплощения таких образований шел очень быстро и обусловил огромное энерговыделение, которое происходило за счет диссипации энергии встречных ударных волн, образовавшихся при падении вещества на экваториальную плоскость образований. Это выделение энергии вызвало образование мощного потока ультрафиолетового излучения, которое выходило наружу и ионизовывало оставшееся вещество Вселенной. Неоднородности в распределении температуры и плотности вещества уже внутри такого образования привели в дальнейшем к еще более мелкому его дроблению. Эти более мелкие образования затем конденсировались в галактики.
Как сказывается такой процесс образования скоплений и отдельных галактик на реликтовом излучении? Очевидно (см. рис. 11), что не следует ожидать значительных искажений его спектра, так как в момент образования плотность вещества во Вселенной была примерно 5 • 10-22 г/см3. Кроме того, внутри скоплений будут более высокие плотности вещества и более высокие температуры по сравнению со средними их значениями во Вселенной. Поэтому следует ожидать эффективного взаимодействия реликтового излучения с плазмой внутри скопления. Размеры таких скоплений примерно соответствуют 1000 Мпс. Эта оценка согласуется с размерами скопления квазаров (если они существуют), полученных из анализа распределения фонового радиоизлучения и подсчета квазаров. Наличие в прошлом таких скоплений приводит к флуктуациям реликтового излучения порядка десятых долей процента в угловых масштабах около 15°. Современная техника как раз стоит на грани возможности обнаружения таких флуктуации.
Конечно, следует ожидать флуктуации интенсивности реликтового излучения в масштабах, меньших 1°, связанных с возмущениями плотности вещества, приведших к образованию отдельных галактик. По величине мелкомасштабных флуктуации фона можно было бы судить о величине этих возмущений в период рекомбинации и тем самым определить время образования галактик. К мелкомасштабным флуктуациям могло бы привести также воздействие гравитации на излучение при образовании массивных объектов и взаимодействие света с гравитационными волнами. Таким образом, наблюдения флуктуации реликтового излучения могут нам дать информацию не только об образовании скоплений и отдельных объектов, но также и о гравитационных волнах во Вселенной. В действительности основной вклад в мелкомасштабные флуктуации реликтового фона дают дискретные источники радио- и инфракрасного излучения. На длинных волнах велик вклад от нормальных радиоисточников, а в миллиметровом диапазоне — от инфракрасных источников, таких, как ядра галактик и квазары.