Зато не вызывал сомнений наблюдательный факт: форма галактики связана со скоростью образования в ней молодых звезд уже после ее рождения, а следовательно, и с распределением звезд по возрастам. Прямой зависимости здесь нет, скорее, речь идет о двух следствиях, вытекающих из одной причины. В современную эпоху звездообразование наиболее бурно протекает в галактиках типа Irr I, менее активны галактики Sc, еще менее — Sb и т. д., вплоть до эллиптических галактик, настолько не склонных порождать звезды, что наличие хоть какого-то количества молодых звезд в такой галактике уже дает повод причислить ее к пекулярным.
Эти результаты навели исследователей на мысль о том, что последовательность хаббловских типов упорядочивает галактики по степени сохранения ими газа и пыли. Неправильные галактики сберегли значительную часть своего газа и своей пыли для постепенного рождения все новых и новых звезд, в то время как эллиптические галактики израсходовали почти весь свой исходный газ на первую взрывную вспышку звездообразования. Согласно современным представлениям, теперь уже подтвержденным результатами всевозможных исследований, два важнейших фактора, определяющих форму галактики, —
239
это, во-первых, начальные условия (масса и момент вращения)
и, во-вторых, окружение (т. е. членство в скоплениях галактик или наличие близких спутников). В этом отношении галактика похожа на человека: ее характер зависит как от «наследственности», так и от «воспитания», т. е. «общества», в котором она «росла».
Общепринятая (хотя есть и альтернативные теории) в настоящий момент времени теория Большого Взрыва предполагает, что расширение Вселенной началось с состояния исключительно высокой плотности и температуры. Уже разбегание галактик и наличие реликтового излучения говорят о том, что Вселенная в начале своей истории была весьма горяча и весьма мала — этакая гипермассивная «капля». По какой-то причине она взорвалась, и результаты этого процесса, случившегося, по современным оценкам, около 14 млрд лет назад, мы наблюдаем в виде всей совокупности населяющих Вселенную объектов — от галактик и диффузной материи до нас с вами.
Для сегодняшнего читателя это сплошная банальность, но 50-60 лет назад идея о начале Вселенной плохо укладывалась в головах, ушибленных однобоко понятым диалектическим материализмом. Если Вселенная возникла «вдруг», то что же было до нее? Тот следующий из ОТО Эйнштейна факт, что в колоссальном поле тяготения первичной «капли» понятие времени теряет смысл, не принимался во внимание. К тому же в те годы некоторые группы исследователей определили постоянную Хаббла (коэффициент, связывающий скорость галактики с расстоянием до нее) с большой ошибкой, что привело их к ошеломляющему выводу: возраст Вселенной не превышает 2-3 млрд лет!
Это уже ни в какие ворота не лезло. Впрочем, критиков Хаббла и его последователей взбеленила не ошибочная датировка, а сам вывод о «начале Вселенной». Теории расширяющейся Вселенной именовались мракобесными попытками подпольно протащить бога в естествознание. Известный советский астроном Б.А. Воронцов-Вельяминов писал в те годы о «мракобесах» вроде Хаббла: «Стараясь такими теориями поддержать отми
240
рающее, реакционное идеалистическое мировоззрение, они нередко доходят до полной поповщины и абсурда. Так, английский астрофизик Милн договорился до того, что с серьезным видом преподнес результат своих расчетов: расширяясь, вселенная была раньше сосредоточена в одной точке, где она возникла вся сразу (т. е. в согласии с Библией), и было-де это... как раз 2-3 млрд лет тому назад, когда, по всем данным, сформировалась земная кора. “Вот она, дата сотворения мира”, — говорит Милн».
Характерно, что в этой цитате слово «вселенная» было написано со строчной буквы, поскольку советская астрономическая наука того времени отрицала саму возможность существования иных вселенных и, следовательно, не видела необходимости выделять нашу Вселенную написанием с прописной буквы. Вселенная считалась единственной, бесконечной в пространстве и времени. Разлет галактик трактовался либо как местная флуктуация, либо как результат каких-то еще не понятых изменений в свойствах света на больших расстояниях, а в борьбе с необратимостью эволюции материи во Вселенной постулировалось существование каких-то неведомых источников поступления газа.
Сейчас нам известно, во-первых, что земная кора образовалась значительно раньше, чем 2-3 млрд лет назад, а во-вторых, что прав оказался все-таки Хаббл, хотя путаница в датировке Большого Взрыва продолжалась еще долго (строго говоря, некоторая неопределенность значения постоянной Хаббла сохраняется и теперь). И поповщина тут совершенно ни при чем. Замечательный советский астроном И.С. Шкловский высказался четко и лаконично: с точки зрения материалиста, главными критериями Вселенной являются ее объективное существование и познаваемость. И только. Вселенная совершенно не обязана подстраиваться под наши сплошь и рядом наивные представления о ней. Ей в высшей степени безразличны все на свете философские доктрины. Приходится изучать и осмысливать то, что есть на самом деле, а не то, что нам хотелось бы.
241
Итак, сверхплотное и сверхгорячее состояние Вселенной завершилось Большим Взрывом. Физические процессы, описывающие эволюцию Вселенной, могут быть довольно надежно про- слежены до момента, когда плотность и температура становятся достаточно низкими, чтобы стало возможным образование галактик. Примерно 300 тыс. лет потребовалось для того, чтобы Вселенная расширилась и остыла настолько, что вещество стало играть в ней важную роль. До этого преобладало излучение, и сгустки вещества, такие как звезды и галактики, не могли образовываться. Однако, когда температура понизилась примерно до 3000 К, а плотность — до ~Ю"21 г/см3 (значительно меньше плотности земной атмосферы, но по меньшей мере в миллиард раз больше современной плотности Вселенной), вещество наконец смогло формироваться. В это время в достаточных количествах могли образовываться лишь атомы водорода и гелия.
Если бы распределение вещества и температуры во Вселенной было полностью однородным, никакие галактики образоваться бы не смогли. Следовательно, должны были существовать некие начальные неоднородности. Что это за неоднородности и откуда они взялись?
В длинном перечне научных заслуг Джеймса Джинса особое место занимает его теория конденсации вещества под действием гравитации. Правда, идеи Джинса основывались не на релятивистской модели, а на более простой ньютоновской, но с некоторыми оговорками они актуальны и сейчас. По Джинсу, гравитационная неустойчивость возникает, когда сгусток более плотного вещества (называемый возмущением) становится достаточно малым и плотным. Характерный размер возмущений плотности, которые являются только слегка неустойчивыми, называется джинсовской длиной, и, как было установлено, она зависит от скорости звука в среде, постоянной тяготения и плотности вещества.
Джинсовская масса определяется как масса вещества, которая может стать неустойчивой и начать сжиматься под действием собственного гравитационного поля. Согласно расчетам,
242
в начале «эры вещества» джинсовская масса составляла около юо тыс. солнечных масс, следовательно, в тот период истории Вселенной возмущения с такими массами и больше (что включает все известные галактики) должны были стать неустойчивыми и сжаться.
Нам «на бытовом уровне» умозрительно понятно, что на свете нет ничего строго однородного. Особенно неоднородны системы, находящиеся в динамике. Неоднородна вода в реке, неоднородна земная атмосфера, угощающая нас то циклоном, то антициклоном, а то и ураганом, и уж подавно неоднородно расширяющееся облако продуктов взрыва. Но к образованию галактик должны были привести не любые неоднородности, а только те, которые имели тенденцию не сглаживаться, подстраиваясь под общий фон, а усугубляться.
В поисках типа неустойчивости, которая приводит к современной Вселенной, состоящей из галактик, астрономы исследовали много других видов неустойчивости, помимо гравитационных. Среди них — возможное отсутствие баланса вещества и антивещества, тепловые неустойчивости, флюктуации, связанные с ионизацией и ее зависимостью от температуры, вариации распределения заряда и др.
Тепловая неустойчивость, по-видимому, сыграла некоторую роль. Области с повышенной плотностью остывают быстрее, чем их окружение. Снаружи более горячий газ сжимает эти области, повышая их плотность. Таким образом, небольшое локальное возмущение может становиться все более неустойчивым. Подготавливаются предпосылки для гравитационного сжатия.
Об антивеществе следует сказать особо. Собственно, ниоткуда не следует, что Большой Взрыв породил только вещество и не породил антивещества. Тут есть две возможности.
Первая: изначально количество вещества равнялось количеству антивещества. Если бы они были перемешаны равномерно, то полностью аннигилировали бы. Как следствие, Вселенная оказалась бы населена только фотонами разных длин волн, а не
243
веществом, и некому было бы читать эту книгу, во-первых, потому что ее не существовало бы, а во-вторых, потому что фотоны неграмотны. Но если в распределении вещества и антивещества имелись исходные неоднородности, то аннигиляция не была бы полной. В этом случае часть материи Вселенной состоит из вещества, а другая часть с ее звездами и галактиками — из антивещества. Эти части будут разнесены в пространстве.
Вторая и более вероятная гипотеза предполагает, что вначале количество вещества немного превосходило количество антивещества. После аннигиляции осталось ровно столько вещества, сколько надо для образования галактик.
После достижения индивидуальными протогалактиками гравитационного обособления через какую-либо форму неустойчивости они коллапсируют с образованием галактик значительно меньших размеров, чем размеры первоначальных возмущений, и с большими плотностями, оставляя межгалактическое пространство почти пустым.