Гравитационная неустойчивость

ГРАВИТАЦИОННАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ, развитие возмущений плотности и скорости среды под действием сил собственного тяготения. Согласно современным взглядам, гравитационная неустойчивость однородного и изотропно расширяющегося вещества привела к образованию наблюдаемой крупномасштабной структуры Вселенной - галактик, их скоплений и сверхскоплений. Гравитационная  неустойчивость, вероятно, играет также важную роль в образовании звёзд и звёздных скоплений.

Идея гравитационной неустойчивости была высказана И. Ньютоном в 1692 году. Практическая разработка теории началась после работы Дж. Джинса (1902), рассматривавшего вопросы происхождения звёзд. Теория гравитационной неустойчивости хорошо разработана для однородной нестационарной среды (в связи с задачами происхождения структуры Вселенной), а также для различных стационарных (хотя бы в одном направлении) распределений вещества: плоский слой, осесимметричные конфигурации (в том числе и с вращением), топкий диск и др.

В достаточно больших масштабах гравитационное взаимодействие по силе превосходит все другие известные виды взаимодействий. Поскольку гравитационная энергия среды при распаде её на сгустки уменьшается, то близкое к однородному распределение вещества неустойчиво относительно распада на отдельные облака достаточно большого масштаба. Напротив, в малых масштабах роль тяготения невелика и гравитация существенно не влияет на развитие возмущений. Так, например, адиабатические возмущения в идеальном газе в больших масштабах растут под действием тяготения, а в малых масштабах превращаются в обычные звуковые волны.

Линейная теория гравитационной неустойчивости. Если рассматриваются лишь силы тяготения и газовое давление, гравитационная неустойчивость проявляется в областях, размеры которых превышают критический размер Джинса (длину волны Джинса) l_Дж, зависящий от плотности вещества р и скорости звука с_зв:

Здесь t_h = (4πGр)^-1/2 - характерное время эволюции вещества с плотностью р под действием тяготения, G - гравитационная постоянная. Таким образом, в этом случае размер l_Дж близок к расстоянию, которое проходит звук за время t_h. Аналогичные формулы для l_Дж могут быть получены и при учёте других негравитационных сил (центробежных, магнитных и др.). Эти силы увеличивают устойчивость распределения вещества и значение l_Дж в некоторых направлениях. Иногда среду удобно характеризовать массой Джинса М_Дж, связанной с l_Дж соотношением М_Дж = р(l_Дж/2)³.

Скорость роста возмущений под действием сил тяготения зависит от масштаба возмущений. Возмущения в масштабах меньших критического (l < l_Дж) не нарастают вовсе. Возмущения в масштабах больших критического растут тем быстрее, чем больше масштаб. В пределе l >> l_Дж скорость роста возмущений не зависит от масштаба, и возмущения растут (на линейной стадии) без искажения начальной формы (в так называемом автомодельном режиме).

В однородных космологических моделях возмущения развиваются на нестационарном фоне. Изменение со временем плотности вещества и скорости звука ведёт к изменению l_Дж и скорости развития возмущений. Эти процессы, меняя режим развития неоднородностей, искажают спектр возмущений, сформированный в период инфляции и определяющий наблюдаемую сегодня крупномасштабную структуру Вселенной.

Нелинейная теория гравитационной неустойчивости. Крупномасштабная структура Вселенной формируется на нелинейной стадии развития возмущений, которая наступает в период, когда относительные возмущения плотности Δρ/ρ становятся сравнимыми с единицей. В период доминирования нерелятивистских частиц развитие неоднородностей в начальный период нелинейного сжатия хорошо описывается (приближённой) теорией гравитационной неустойчивости (Я. Б. Зельдович, 1970). Пока возмущения малы, эта теория совпадает с теорией возмущений в среде без давления. Теория предсказывает, что в начальный период происходит одномерное сжатие вещества с образованием, так называемых блинов Зельдовича. В настоящее время «блины» наблюдаются как гигантские сверхскопления галактик и отдельные цепочки групп галактик. Увеличиваясь в размерах, «блины» со временем сливаются и создают единую крупномасштабную сетчатую структуру Вселенной.

Степень развития крупномасштабной структуры и её эволюцию во времени изучают методами кластерного анализа и теории перколяции. Интересно, что хотя в образующие структуру «блины» входит до 70% вещества, они занимают лишь около 10% объёма. Между яркими плотными «блинами» расположены громадные области пониженной плотности, не содержащие галактик (ярких).

Лит.: Лифшиц Е. М., Халатников И. М. Проблемы релятивистской космологии // Успехи физических наук. 1963. Т. 80. Вып. 7; Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. М., 1975; Пиблс Ф. Дж. Э. Структура Вселенной в больших масштабах. М., 1983.