Галактик и, тем более, звезд во Вселенной - мириады. И все они разные. Понятно, что Всевышний делал их не по индивидуальным проектам, а пустив дело на самотек в рамках установленного им Закона. Каков же этот Закон и как он работает?
Всякое случайно возникающее малое локальное уплотнение в газе (положительная флуктуация плотности газа) рассасывается звуковыми волнами малой амплитуды. Рассасывается потому, что в области такой флуктуации давление повышено, а снаружи от этой флуктуации оно меньше и не действует никаких сил, способных увеличить давление в ней. Этот вывод естественен, но только до некоторого предела. Ибо внутри достаточно пространственно протяженных флуктуаций может оказаться настолько большая масса газа, что она начнет сжиматься под действием собственной гравитации.
Возникает вопрос – как определить этот критический пространственный масштаб, при превышении которого флуктуация плотности газа начнет сжиматься под действием сил собственной гравитации? Сделаем это, не решая никаких уравнений, а только из соображений размерностей входящих в задачу параметров. В решение этой задачи должны с очевидностью войти такие параметры, как: гравитационная постоянная G из закона всемирного тяготения Ньютона, объемная плотность газа ρ и характеризующая давление в газе скорость звука. Размерность гравитационной постоянной G – см³/г/сек², размерность плотности ρ – г/см³, размерность скорости звука - см/сек. Из этих трех параметров можно построить только одну комбинацию размерности пространственного масштаба. Она и будет определять тот критический масштаб флуктуации плотности газа Lcr, при превышении которого эта флуктуация начнет сжиматься под действием собственной гравитации несмотря на противодействие этому процессу все возрастающего давления газа:
Lcr ~ cs/√(Gρ).
Такая оценка может показаться не совсем корректной, но точное решение задачи дает практически не отличимый от нее ответ:
Lcr ≈ 0,89 × cs/√(Gρ).
Чтобы почувствовать порядок величин, оценим Lcr для земного воздуха, плотность которого ρ ~ 0,0013 г/см3, а G ~ 6,7×10–8 в единицах СГС (сантиметр, грамм, секунда), а скорость звука при нулевой по Цельсию температуре cs ≈ 330 м/сек. В итоге получаем Lcr ~ 3×109 см ~ 3×104 км, что существенно больше размера самой Земли.
В космосе, где газ на многие порядки менее плотен, критический масштаб Lcr оказывается на немалое число порядков больше. Для примера сначала рассмотрим типичное облако межзвездного газа, состоящего из молекул водорода при температуре 10°К. В таком газе cs ≈ 240 м/сек. И если плотность газа составляет 1000 молекул на кубический сантиметр, то оказывается, что Lcr ~ 1,5 × 1013 км ≈ 1,5 световых года. А масса газа, заключенная в сфере диаметра Lcr оказывается порядка 3 масс Солнца. Вполне достаточно для создания приличной звезды и ее планетной системы.
Если мы возьмем в тысячу раз более плотное облако такого газа (миллион молекул водорода на кубический сантиметр), то Lcr окажется в 31,6 раза меньше (~ 0,05 св. года), а заключенная внутри сферы такого диаметра масса газа окажется порядка 0,1 массы Солнца. Такой массы может хватить только на создание звезды типа самого маленького красного карлика или даже недозвезды - коричнего карлика.
Приведенные примеры говорят о том, что для создания галактик нужны облака достаточно горячего газа (скорость звука в газе пропорциональна корню квадратному из температуры) и весьма малой плотности. Такие условия существовали во Вселенной через несколько сот миллионов лет после ее рождения.
Описанный выше процесс в его начальной стадии принято называть гравитационной неустойчивостью. Или джинсовской по фамилии автора описавшего его первым.
Таким образом, процессы образования галактик и звезд есть своеобразная реинкарнация звуковых волн в пределе достаточно длинноволновых возмущений плотности газа.
Ну как тут не вспомнить Евангелие от Иоанна, начинающегося словами "В начале было Слово...". Хотя на самом деле это было не Слово, а едва слышимый Шепот. Но зато – во всех закутках Вселенной.
Journal information