Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

Сильченко «Происхождение и эволюция галактик» (2017 год), написанная живым языком, не оставляет камня на камне от иерархической модели образования галактик! О. Сильченко пишет: «По иерархической концепции, распределение плотности вещества во Вселенной эволюционирует от почти совсем однородного в эпоху рекомбинации до сильно структурированного, скученного, в нашу эпоху... Наблюдательный же факт, установленный вполне надежно, состоит в том, что... практически за все время жизни Вселенной не произошло никакой эволюции степени скученности галактик... Как это может быть?»

В иерархической концепции, пишет О. Сильченко, «чтобы объяснить наблюдаемую корреляцию „масса — металличность“ у эллиптических галактик (чем массивнее галактика, тем выше содержание тяжелых элементов в ее звездах), приходится предполагать, что каждое слияние двух дисковых галактик сопровождается вспышкой звездообразования. Тогда при каждом „укрупнении“ галактик будут производиться новые тяжелые элементы и таким образом будет возрастать средняя металличность звездного населения с увеличением массы эллиптической галактики...Если это так, то средний возраст звездного населения в центре современных массивных эллиптических галактик должен быть относительно невелик, 3–5 млрд лет; между тем по спектрам и цветам он уверенно оценивается как более 8 млрд лет... и чем массивнее эллиптическая галактика, тем старше ее звездное население!»

Из-за проблем с иерархической концепцией образования галактик, основанной на инфляционной космологии, в последние годы становится все популярнее аккреционная модель, согласно которой галактики образуются вокруг сверхмассивных дыр, существовавших на самом раннем этапе расширения Вселенной (Черепащук, 2014; Долгов, 2018). Эта концепция позволяет по-новому посмотреть на старую проблему галактической космогонии: каков механизм образования разных типов галактик — как эллиптических, имеющих малый угловой момент, так и спиральных, у которых этот угловой момент заметно выше?

Вокруг центральной черной дыры на первом этапе возникает сравнительно небольшой аккреционный диск, который начинает эффективно сгребать пролетающее вещество, часто собранное в виде облаков Джинса, после чего компактный диск разрастается в целую галактику. Можно показать (см. детали в Приложении II), как в аккреционной модели образования галактик решается проблема образования эллиптических и спиральных галактик. Рассмотрим квазилобовое взаимодействие облака Джинса и сверхмассивной дыры SMBH, у которой пока еще нет диска. Облако гораздо больше дыры и огибает ее с разных сторон. Черная дыра искривляет траектории движения частей облака так, что они после пролета возле дыры начинают сталкиваться друг с другом и терять скорость и энергию движения, тем самым все облако (или какая-то его часть) оказывается захваченным черной дырой и должно образовать первичный аккреционный диск. Направление вращения этого диска задается случайно, в зависимости от геометрии встречи SMBH и облака.

За характерное время в несколько миллионов лет вокруг сверхмассивных черных дыр появятся первичные аккреционные диски с плавной функцией распределения по размерам и угловому моменту вращения. Но, как это часто бывает в небесной механике, плавное изменение какого-то параметра (например, прицельного расстояния между астероидом и планетой) может приводить к кардинально различным следствиям (например, захват астероида на прямую орбиту вокруг планеты или на обратную). Так и в данном случае: разные плотности образовавшегося вокруг черной дыры диска вызвали два разных типа аккреции: трехмерную и двумерную (см. рис. 10).

Трехмерная аккреция возникает тогда, когда начальный аккреционный диск достаточно плотный, поэтому он захватывает все облака газа, которые пытаются пролететь через него — в любом направлении и под любым углом. В результате трехмерной аккреции приток массы в диск оказывается максимальным, а вот приток углового момента — минимальным, потому что суммарный угловой момент захватываемых облаков, прилетающих с разных направлений, оказывается близок к нулю. Тем самым диск растет массивным, толстым и медленно вращающимся (см. рис. 10).

Двумерная аккреция случается тогда, когда начальный диск вокруг дыры слишком прозрачный и неплотный. В этом случае те облака, которые пролетают поперек диска, тормозятся слабо и улетают из системы. Захватываются в диск только те облака, чьи пролетные траектории близки к плоскости диска, потому что в этом случае масса области диска, с которой взаимодействует облако, значительно увеличивается (см. детали расчетов в Приложении II). Здесь возникает два варианта: если облако огибает дыру в том же направлении, в каком вращался аккреционный диск, тогда облако приносит в диск не только массу, но и значительный угловой момент. Если облако движется навстречу вращению диска, то при столкновении с веществом диска происходит аннигиляция угловых моментов облака и части диска, которые в результате столкновения падают ближе к дыре, образуют балдж — более плотную и медленно вращающуюся внутреннюю область диска. Вещество балджа может питать сверхмассивную черную дыру, превращая ее в квазар (илл. 8 и 9).

Можно предположить, что трехмерная аккреция приводит к образованию эллиптических галактик, в то время как двумерная аккреция должна порождать плоские дисковые галактики с центральными балджами, напоминающими по строению и вращению небольшие эллиптические галактики.

Как уже обсуждалось, есть два сценария возникновения сверхмассивных черных дыр: они возникли в ходе многократных циклов в реликтовой популяции черных дыр или они могли образоваться из флуктуаций какой-то плотной среды либо гипотетического поля в начале данного цикла. Во втором сценарии сверхмассивные черные дыры (и галактики, которые образуются вокруг них) будут двигаться вместе со средой, из которой они возникли. В свою очередь, реликтовые сверхмассивные черные дыры, возникающие по первому сценарию, динамически независимы и не связаны генетически с остальной плазменно-газовой средой, поэтому логично ожидать, что они могут двигаться относительно нее с какой-то скоростью.

Предположим, что центральные дыры движутся медленнее или быстрее фонового газа, то есть имеют некоторую среднюю скорость относительно него в момент формирования галактики. Эта разница может обеспечиваться тем, что в момент Большого взрыва газ расширялся быстрее популяции черных дыр — хотя бы из-за давления излучения. Но газ мог расширяться и медленней черных дыр — это ничего не изменит в дальнейших рассуждениях.

Если рассмотреть сближение между сверхмассивной дырой и облаком газа, то легко понять, что черная дыра и изгибающаяся в ее гравитационном поле траектория облака будут лежать в одной плоскости. Брошенный камень, пройдя по параболе, упадет на землю, двигаясь непременно в вертикальной плоскости. Нельзя бросить камень так, чтобы парабола его движения располагалась в горизонтальной плоскости.

Следовательно, плоскость диска, образовавшегося в результате захвата, тоже будет близка к плоскости траектории движения первоначального облака. Если нет систематической скорости движения дыры и окружающих облаков, то плоскости начальных аккреционных дисков будут располагаться хаотически. Пусть систематическая скорость между дырой и облаками существует и направлена по оси X, а оси Y и Z будут перпендикулярны ей. Очевидно, что облака будут налетать на дыру вдоль оси Х чаще, чем с других направлений. При этом облако будет захватываться в плоскости, к которой принадлежит ось X, то есть в плоскости XY, или