Гравітаційна нестійкість

Якби Всесвіт розширювався в точній відповідності з фрідмановськими  моделями, вона була б ідеально однорідною і ізотропної. У сучасній теорії походження космічної структури передбачається, що в ранньому Всесвіті космологічний принцип виконувався майже строго не тільки на найбільших, але і на малих масштабах, існували лише слaбі відхилення від однорідності і ізотропії: в деяких місцях щільність була трохи вище або трохи нижче, ніж в середньому. У міру розширення Всесвіту контраст між щільними і розрідженими областями зростав, що в кінцевому підсумку і призвело до формування сучасної структури.

Механізм, що призводить до посилення неоднорідностей, носить назву гравітаційної нестійкості. Вперше він був вивчений видатним англійським фізиком і астрофізиком Джеймсом Джинсом ще на початку ХХ століття. Ідея зводиться до наступного. Розглянемо одну з неоднорідностей, де щільність речовини злегка підвищена в порівнянні з середньою щільністю молекулярного хмари (рис. 6.3.1).

Рис. 6.3.1. Сили, що діють на слабке згущення речовини в майже однорідної Всесвіту: гравітація (спрямована всередину) і пружність (спрямована зовні).

На матерію, що знаходиться на кордоні цього згущення, діють дві сили. Одна з них – спрямована всередину згущення сила тяжіння, яка прагне стиснути згусток речовини. Друга сила – це сила пружності, спрямована зовні, яку створює перепад тиску всередині і поза згустку (зрозуміло, всередині згустку тиск підвищений). Еволюція неоднорідності визначається тим, яка з цих двох сил більше. Якщо сила пружності перевищує силу тяжіння, для якісного розгляду еволюції згущення тяжінням можна знехтувати. Дія нескомпенсованих сили пружності призводить до того, що згущення починає розширюватися. Це розширення не припиняється, коли щільність речовини всередині і поза неоднорідності вирівнюється, оскільки речовина продовжує рухатися зовні по інерції, стискаючи речовину навколо. Тому з часом на місці згущення виявиться розрідження речовини, тоді як навколо нього утворюється область підвищеної щільності. Це вторинне згущення також відразу почне розширюватися, стискаючи навколишню речовину, і т.д. Таким чином, неоднорідність щільності перетворюється в хвилю стиснення і розширення речовини, тобто в звук. Якщо ж перемагає сила тяжіння, то згущення починає стискатися. У цьому випадку колись єдине газова хмара спонтанно фрагментірует: розпадеться на багато окремих газових хмар меншого розміру.

Яка з цих двох сил більше, залежить від розміру згустку l, оскільки чим більше ця величина, тим більше маса згустка і, отже, більше його сила тяжіння. Неважко оцінити критичний розмір (джинсова довжину, RJ), при якому можливе стиснення згущення (тобто фрагментація газової хмари).

Посилання на основну публікацію