Физические процессы, явления

Гравитационная неустойчивость

Гравитацио́нная неусто́йчивость, развитие возмущений плотности и скорости среды под действием сил собственного тяготения. Согласно современным взглядам, гравитационная неустойчивость однородного и изотропно расширяющегося вещества привела к образованию и наблюдаемой ( и галактик, и др.) из плотности. Гравитационная неустойчивость играет также важную роль в образовании и .

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) lДж,l_{Дж}, зависящий от плотности вещества ρρ и скорости звука cзв ⁣:c_{зв}\!:

lДж=2πcзвth=2πcзв4πGρ,\displaystyle l_{Дж}= 2\pi c_{зв}t_h = \frac {2\pi c_{зв}} {\sqrt{4πGρ}},Здесь th=(4πGρ)1/2t_h=(4πGρ)^{–1/2} – характерное время эволюции вещества с плотностью ρρ под действием тяготения, GG – . Таким образом, в этом случае размер lДжl_{Дж} близок к расстоянию, которое проходит звук за время th.t_h. Аналогичные формулы для lДжl_{Дж} могут быть получены и при учёте других негравитационных сил (, и др.). Эти силы увеличивают устойчивость распределения вещества и значение lДжl_{Дж} в соответствующих направлениях. Иногда среду удобно характеризовать массой Джинса MДж,M_{Дж}, связанной с lДжl_{Дж} соотношением

MДж=ρ(lДж/2)3.M_{Дж}=ρ(l_{Дж}/2)^3.Идея гравитационной неустойчивости была высказана в 1692 г. в переписке с (). Практическая разработка теории началась после работы (), 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 с вращением и электромагнитным полем), тонкий диск и др.

В достаточно больших масштабах 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, (потенциальные) возмущения в идеальном газе в больших масштабах растут под действием тяготения, а в малых масштабах превращаются в обычные звуковые волны.

Скорость роста возмущений под действием сил тяготения зависит от масштаба возмущений. Возмущения в масштабах меньших критического (l<lДж)(l<l_{Дж}) не нарастают вовсе. Возмущения в масштабах больших критического растут тем быстрее, чем больше масштаб. В пределе llДжl≫l_{Дж} скорость роста возмущений не зависит от масштаба и возмущения растут (на линейной стадии) без искажения начальной формы (в т. н. автомодельном режиме).

В однородных космологических моделях возмущения развиваются на нестационарном фоне. Изменение со временем плотности вещества и скорости звука ведёт к изменению lДжl_{Дж} и скорости развития возмущений. В рамках гравитационная неустойчивость материи в рассмотрена (Лифшиц, 1946) для случаев релятивистского и нерелятивистского . В модели с релятивистским уравнением состояния зависимость темпа роста возмущений от их масштаба искажает спектр первичных возмущений, сформированный в ранний период и определяющий наблюдаемую сегодня структуру Вселенной.

Нелинейная теория гравитационной неустойчивости

Нелинейная стадия развития возмущений наступает в период, когда относительные возмущения плотности Δρ/ρΔρ/ρ в рассматриваемом масштабе становятся сравнимыми с единицей. При доминировании нерелятивистских частиц развитие неоднородностей в начальный период нелинейного сжатия хорошо описывается (приближённой) теорией гравитационной неустойчивости, построенной (). Пока возмущения малы, эта теория совпадает с теорией возмущений в среде без давления. Теория предсказывает, что в начальный период происходит преимущественно одномерное сжатие вещества с образованием . На следующем этапе более медленное сжатие вещества «блинов» по второму направлению формирует более плотные .

В настоящее время «блины» наблюдаются как гигантские неправильной формы и со сложной внутренней структурой. Филаменты наблюдаются как отдельные цепочки и , и даже как цепочки . Увеличиваясь в размерах, «блины» и филаменты со временем сливаются и создают единую . Между яркими плотными «блинами» и филаментами расположены громадные области пониженной плотности, не содержащие ярких галактик, – . И «блины», и филаменты неустойчивы, они медленно деформируются и распадаются на плотные компактные облака.

Образование и эволюция крупномасштабной структуры хорошо воспроизводятся в различных численных моделях. Статистические характеристики крупномасштабной структуры изучают методами , теории и (построение ). Оказывается, что хотя в элементы структуры входит до 70 % вещества, они занимают лишь около 10 % общего объёма. Альтернативная нелинейная модель гравитационной неустойчивости Пресса – Шехтера (1974) описывает образование отдельных объектов в сферическом приближении.

  • Нелинейные процессы и явления
  • Астрофизические процессы и явления
  • Междисциплинарные приложения физики
  • Плазма в природе, космосе и астрофизике
  • Физические явления
  • Механика жидкостей и газов