Gravitacionnaya neustoichivost'

GRAVITACIONNAYa NEUSTO'ChIVOST' - narastanie vozmushenii (malyh otklonenii ot sr. znacheniya) plotnosti i skorosti veshestva pod deistviem sil tyagoteniya. Pri pervonachal'no blizkom k odnorodnomu raspredelenii veshestva v kosmich. prostranstve G. n. dolzhna privodit' k obrazovaniyu sgustkov. G. n. rassmatrivaetsya kak prichina obrazovaniya galaktik i ih skoplenii, a takzhe zvezd i zvezdnyh skoplenii (sm. Zvezdoobrazovanie). Ideya G. n. byla vyskazana I. N'yutonom v 1692 g. Odnako matematich. razrabotka teorii G. n. nachalas' lish' posle raboty angl. fizika Dzh. Dzhinsa (1902 g.), rassmatrivavshego voprosy proishozhdeniya zvezd i dr. kosmich. ob'ektov. K 80-m gg. 20 v. teoriya G. n. razrabotana dlya odnorodnoi sredy (v svyazi s teoriei proishozhdeniya galaktik i skoplenii galaktik), a takzhe dlya prosteishih geometrich. konfiguracii: ploskogo sloya; osesimmetrichnyh konfiguracii, neodnorodnyh po radiusu; tonkogo diska. Razvitie vozmushenii v takih prosteishih konfiguraciyah issleduetsya s cel'yu ob'yasneniya proishozhdeniya nablyudaemoi vnutr. struktury galaktik.

Odnorodnoe (ili blizkoe k odnorodnomu) raspredelenie veshestva pri nalichii sil tyagoteniya yavl. neustoichivym otnositel'no raspada na otdel'nye sgustki bol'shei plotnosti, t. k. etot process soprovozhdaetsya umen'sheniem potencial'noi energii. Gravitacionnaya energiya pri szhatii perehodit v kinetich. energiyu szhimayushegosya veshestva, k-raya mozhet v dal'neishem perehodit' v teplotu i izluchat'sya.

Silam tyagoteniya protivodeistvuyut uprugost' veshestva (opredelyaemaya gradientom davleniya) i, vozmozhno, dr. negravitac. sily (el.-magn., centrobezhnye, vyzvannye vrasheniem sgustka, i dr.). Sootnoshenie mezhdu silami tyagoteniya i protivodeistvuyushimi silami zavisit ot razmerov voznikayushego sgustka. Dlya odnorodnoi sredy sily tyagoteniya proporcional'ny razmeru sgustka l, togda kak, napr., sila uprugosti, svyazannaya s gradientom davleniya, proporcional'na 1/l (gradient davleniya tem bol'she, chem na bolee malom rasstoyanii proishodit izmenenie davleniya na dannuyu velichinu). Poetomu pri bol'shih l sily tyagoteniya veliki po sravneniyu s silami uprugosti, i sgustok bol'shih razmerov szhimaetsya. Naprotiv, pri malyh l sily tyagoteniya maly po sravneniyu s silami uprugosti. Sily uprugosti privodyat k rasshireniyu sgustka povyshennoi plotnosti - voznikayut kolebaniya, rasprostranyayushiesya so skorost'yu zvuka po okruzhayushemu veshestvu. T. o., sreda ustoichiva otnositel'no raspada na otdel'nye melkomasshtabnye sgustki i neustoichiva otnositel'no obrazovaniya sgustkov bol'shih razmerov.

Esli rassmatrivat' lish' sily tyagoteniya i uprugosti, to kritich. znachenie l, otdelyayushee oblast' ustoichivosti ot oblasti G. n., sootvetstvuet t. n. dline volny Dzhinsa

gde a_zv - skorost' zvuka, r - plotnost' veshestva.

Analogichnye f-ly dlya kritich. razmera l_dzh mogut byt' polucheny i pri uchete vrasheniya, turbulentnosti, el.-magn. i inyh sil, protivodeistvuyushih silam tyagoteniya. Nalichie etih sil povyshaet ustoichivost' veshestva v nek-ryh napravleniyah i uvelichivaet kritich. razmer, sootvetstvuyushii dline volny Dzhinsa. Odnako vdol' magn. polya ili vdol' osi vrasheniya razmer ee menyaetsya. Na osnove analiza ustoichivosti upomyanutyh vyshe prosteishih konfiguracii s neodnorodnym raspredeleniem gaza mozhno sdelat' vyvod o sushestvovanii i v etih sluchayah kritich. razmera, otdelyayushego oblast' ustoichivosti ot oblasti neustoichivosti otnositel'no malyh vozmushenii. Zavisimost' kritich. razmera ot lokal'noi plotnosti i skorosti zvuka podobna privedennoi vyshe.

Skorost' rosta vozmushenii, vyzvannyh silami tyagoteniya, zavisit ot harakternogo razmera vozmushenii. Vozmusheniya v masshtabah men'she kritich. l_dzh ne narastayut vovse. Vozmusheniya v masshtabah bol'she kriticheskogo rastut tem bystree, chem bol'she masshtab. V predele (dlya ochen' krupnyh po razmeru vozmushenii l >> l_dzh) skorost' rosta vozmushenii perestaet zaviset' ot ih masshtaba, i vozmusheniya narastayut s sohraneniem nachal'noi formy (v t. n. avtomodel'nom rezhime). Zdes' uprugost' gaza uzhe ne igraet roli i proishodit kak by svobodnoe padenie k centru kondensacii. Pri etom zavisimost' vozmushenii plotnosti i skorosti ot koordinat ne izmenyaetsya - v kazhdoi tochke vozmusheniya rastut s techeniem vremeni po odnomu i tomu zhe zakonu. Vse eto otnositsya k nachal'nomu razvitiyu vozmushenii, poka oni otnositel'no maly. S rostom vozmushenii zakon izmenyaetsya, i, kak pravilo, szhatie ostanavlivaetsya.

Vozmusheniya bol'shih masshtabov (l >> l_dzh) na fone stacionarnogo srednego raspredeleniya veshestva narastayut so vremenem eksponencial'no, proporcional'no e^wt. Velichina w, opredelyayushaya skorost' vozrastaniya vozmushenii, zavisit ot harakternoi plotnosti sredy r. Po poryadku velichiny .

Po inomu zakonu proishodit narastanie vozmushenii na fone rasshiryayushegosya ili szhimayushegosya veshestva. V rezul'tate rasshireniya izmenyayutsya plotnost' veshestva i skorost' zvuka v nem, chto v svoyu ochered' privodit k izmeneniyu l_dzh i w. Etot sluchai rassmatrivaetsya v ramkah odnorodnoi i izotropnoi kosmologich. modeli Fridmana (modeli rasshiryayusheisya Vselennoi, sm. Kosmologiya). V ramkah modeli Fridmana sdelany uspeshnye popytki ob'yasnit' vozniknovenie nablyudaemyh neodnorodnostei - galaktik i skoplenii galaktik - deistviem G. n.

Izotropnoe rasshirenie (ili szhatie) odnorodnogo veshestva proishodit po Habbla zakonu: u = Nr, gde u - otnositel'naya skorost' dvizheniya dvuh proizvol'nyh tochek sredy, nahodyashihsya na rasstoyanii r drug ot druga, N - postoyannaya Habbla. Dlya polnogo analiza G. n. takoi sredy neobhodimo ispol'zovat' obshuyu teoriyu otnositel'nosti (OTO). Odnako osn. zakonomernosti mogut byt' polucheny i v ramkah teorii tyagoteniya N'yutona.

Odnorodnaya izotropno rasshiryayushayasya sreda ustoichiva otnositel'no malyh vozmushenii pri plotnosti mnogo men'shei t. n. kritich. plotnosti r_s = 3H²/8pG » 2^.10^-29 g/sm³, ibo v etom sluchae tyagotenie ne mozhet ostanovit' rasshirenie veshestva (nezavisimo ot gazovogo davleniya). Esli eto uslovie ne vypolneno, otnositel'nye vozmusheniya plotnosti i skorosti otstayut ot obshego rasshireniya i narastayut (pri uslovii l >> l_dzh). Sleduet podcherknut', chto odnorodnaya izotropno szhimayushayasya sreda vsegda neustoichiva.

V rasshiryayusheisya (szhimayusheisya) srede vozmusheniya narastayut ne eksponencial'no, kak v stacionarnoi srede, a po stepennomu zakonu, proporcional'no t^a, gde t - vremya, otschitannoe ot momenta, kogda plotnost' veshestva v modeli Fridmana beskonechna. Pokazatel' stepeni a razlichen dlya rasshiryayusheisya i szhimayusheisya sred i zavisit ot ur-niya sostoyaniya veshestva. Napr., esli skorost' zvuka mala po sravneniyu so skorost'yu sveta, a_zv<< c, i r » r_s, to otnositel'nye vozmusheniya plotnosti pri rasshirenii narastayut po zakonu Dr/r ~ t^2/3(l >> l_dzh), a pri szhatii (t<0) - po zakonu Dr/r ~ t^-1(l >> l_dzh).

Soglasno modeli goryachei Vselennoi, plotnost' izlucheniya v dalekom proshlom prevoshodila plotnost' veshestva, i dinamika rasshireniya opredelyalas' izlucheniem. V etih usloviyah skorost' zvuka blizka k skorosti sveta s() i otnositel'nye vozmusheniya plotnosti pri rasshirenii narastayut po zakonu Dr/r ~ t(l >> l_dzh » ct).

Privedennye f-ly pokazyvayut, chto sushestvovavshie na nachal'nyh stadiyah rasshireniya neodnorodnosti rastut so vremenem. V fridmanovskoi modeli pri dostizhenii znacheniya Dr/r »1 nastupaet nelineinaya stadiya rosta neodnorodnostei i vozmozhno obrazovanie galaktik i skoplenii galaktik.

Lit.: Novikov I. D., Evolyuciya Vselennoi, 2 izd., M., 1983; Zel'dovich Ya. B., Novikov I. D., Relyativistskaya astrofizika, M., 1967; ih zhe, Teoriya tyagoteniya i evolyuciya zvezd, M., 1971; ih zhe, Stroenie i evolyuciya Vselennoi, M., 1975; Polyachenko V. L., Fridman A. M., Ravnovesie i ustoichivost' gravitiruyushih sistem, M., 1976; Shandarin S. F., Doroshkevich A. G., Zel'dovich Ya. B., Krupnomasshtabnaya struktura Vselennoi, "UFN", 1983, t. 139, v. 1.

(A.G. Doroshkevich)