Cтраница 3
Адиабатические начальные возмущения ведут себя более сложным образом. В некоторых космологических моделях, когда перед разъединением плотность энергии излучения ( ос R-4) становится меньше плотности вещества ( ос R-3), адиабатические возмущения могут эволюционировать сходно с изотермическими. В обоих случаях основное возмущение полной плотности энергии происходит в веществе, а не в излучении. Если этого не случается, то радиационная вязкость подавляет адиабатические возмущения еще до эпохи разъединения. Вязкое трение действу-ет быстрее на близких расстояниях, поэтому выживают только очень крупные возмущения. [31]
Неоднородности такого типа на ранних стадиях расширения, при р рвещ, не вызывают движения вещества или излучения и заморожены. Позже, после рекомбинации, неоднородности в распределении вещества на фоне однородного излучения приведут к возникновению движения качественно тем же путем, что и адиабатические возмущения. [32]
Под процессами встряски понимаются такие процессы, для к-рых характерные промена столкновения т достаточно малы по сравнению с обратными частотами со в невозмущенной системе: сотс1 [1, 2], В отличие от др. продельного случая - адиабатического возмущения, вероятности возбуждения системы при внезапном ннетп. [33]
В таком виде результат приведен в тщательно выполненной работе Сакса и Вольфа, цитированной выше, как итог довольно сложных расчетов в рамках ОТО. До сих пор не ясно, как классически истолковать этот коэффициент. Применение изложенных принципов к адиабатическим возмущениям большого масштаба, к вихревым возмущениям, к гравитационным волнам имеет в каждом случае свои специфические особенности, которые обсуждаются вместе с конкретными физическими результатами в следующих параграфах. [34]
Если размер возмущений Я много меньше ct, то сгущения вещества порождают в излучении возмущения, которые примерно в ( Ъ / ct) 2 раз слабее, чем сами флуктуации вещества. Поэтому можно пренебречь флук-туациями в распределении излучения, и, следовательно, изотермические возмущения остаются изотермическими. Если можно пренебречь диффузией излучения, то энтропия сохраняется, и адиабатические возмущения также остаются адиабатическими. [35]
Естественно, что в том случае, когда изначально присутствуют как изотермические, так и адиабатические возмущения, могут происходить и скучивание и фрагментация. Представленная картина при желании может быть усложнена. Однако на этой ранней стадии нашего понимания, по-видимому, более уместен вопрос: какие минимальные первоначальные возмущения мы должны ввести в раннее состояние Вселенной, чтобы объяснить ее сегодняшнюю структуру. Вводить адиабатические возмущения, которые разрушаются в процессе разъединения, - это все равно что, разбивая цветник, посеять семена цветов вместе с сорняками, а потом выпалывать сорняки. Защищая такой подход, следует задать вопрос: видим ли мы сорняки сегодня. Очертания структур самых больших масштабов могут дать ключ к пониманию этого вопроса, особенно если такие структуры не могут возникнуть путем гравитационного скучивания. Такова другая причина, по которой следует рассмотреть простое гравитационное скучивание в бесконечной системе. [36]
Адиабатические начальные возмущения ведут себя более сложным образом. В некоторых космологических моделях, когда перед разъединением плотность энергии излучения ( ос R-4) становится меньше плотности вещества ( ос R-3), адиабатические возмущения могут эволюционировать сходно с изотермическими. В обоих случаях основное возмущение полной плотности энергии происходит в веществе, а не в излучении. Если этого не случается, то радиационная вязкость подавляет адиабатические возмущения еще до эпохи разъединения. Вязкое трение действу-ет быстрее на близких расстояниях, поэтому выживают только очень крупные возмущения. [37]
Однако принципиальная трудность теории заключается в том, что структура Вселенной соответствует большим возмущениям: средняя плотность вещества в скоплениях галактик в несколько раз больше средней плотности вещества во всем пространстве, а в галактиках - на несколько порядков больше. Линейная теория малых возмущений заведомо непригодна в этом круге явлений. Вселенной, содержит также развитие теории возмущений на случай возмущений большой амплитуды. Наряду с теорией возникновения структуры Вселенной как следствия эволюции малых первичных неоднородностей распределения материи в пространстве ( так называемая теория адиабатических возмущений) рассматриваются и другие, альтернативные гипотезы образования структуры: гипотеза начальной турбулентности, гипотеза энтропийных возмущений и гипотеза зарядово-симметричного мира, разбивающегося на области вещества и антивещества. [38]
Однако такое универсальное объяснение - или, скорее, отговорка - сталкивается с большими трудностями. Для эффективного сглаживания нужна большая оптическая толща, что в свою очередь требует ранней вторичной ионизации ( при z - 50 - 80), но в ранний момент велика скорость теплоотдачи, трудно удерживать плазму горячей и ионизованной. В целом вывод заключается в том, что наблюдаемая высокая степень изотропии реликтового излучения является сильным доводом в пользу малости возмущений фридмановской однородной и изотропной модели, в частности в пользу теории адиабатических возмущений, и против вихревой ( турбулентной) теории образования галактик. [39]
Этот эффект мог бы быть заметен только для возмущений в масштабе горизонта. Более существенные вариации температуры создаются возмущениями этого типа по иной причине. Дело втом, что в ходе рекомбинации сгущения плазмы, ранее вмороженные в фон излучения, начинают усиливаться гравитационной неустойчивостью. В результате появляются вторичные скорости, и фотоны рассеиваются на движущемся веществе. Вариации в масштабах скоплений галактик оказываются в этом случае несколько меньше тех, которые создавались бы первичными адиабатическими возмущениями с той же величиной возмущений плотности вещества. [40]
Принципиальная особенность теории адиабатических возмущений заключается в наиболее полном использовании гравитационной неустойчивости. Можно сказать, что теория адиабатических возмущений решает задачу о тех наименьших возмущениях строго однородной космологической модели, которые необходимы для получения наблюдаемой в настоящее время структуры. Малые, хотя и конечные ( 10 - s - 10 - 4 в безразмерных единицах), возмущения метрики не меняют качественно локальных свойств Вселенной на ранних этапах. Строго однородна в этой теории энтропия. Космологическое квазиизотропное решение со строго постоянным составом вещества - вот то состояние вблизи сингулярности, которое приводит к адиабатическим возмущениям. [41]
Но подсчет такого рода теоретическими ( читай: аналитическими) методами вряд ли возможен; сама формулировка исходных условий статис-тична, ответ тоже должен формулироваться статистически, в виде функций распределения обособившихся тел по массам и моментам. Вероятно, неизбежно проведение численных расчетов трехмерного движения для набора реализаций случайных исходных данных. В настоящее время можно констатировать, что есть по крайней мере три принципиально разных процесса, приводящих в адиабатической теории возникновения галактик к набору момента обособленными телами. Нельзя утверждать, что уже сейчас строго доказана достаточность этих процессов. Вместе с тем никак нельзя утверждать и обратное, что теория адиабатических возмущений будто бы неспособна объяснить наблюдаемое вращение галактик. Фактические данные о вращении галактик даны в § 11 этой главы. [42]