Квинтет СтефанаНеожиданные результаты, полученные для тесных групп, заставляют сразу поставить вопрос: а устойчивы ли скопления галактик?

Ни в одном скоплении галактик не известны лучевые скорости всех членов. Однако приближенное значение кинетической энергии скопления можно получить, если измерены лучевые скорости хотя бы части членов скоп­ления и сосчитано общее число членов скопления N. В самом деле, известным уже нам способом можно опре­делить сумму кинетических энергий n членов, для кото­рых измерены лучевые скорости, а затем, умножив эту сумму на N/n, получить кинетическую энергию всего скопления. При этом мы поступим так же, как издатель, желающий узнать число печатных знаков в книге, под­считывающий для этого число знаков на странице и ум­ножающий затем результат на число страниц в книге.

Чтобы вычислить потенциональную энергию скопле­ния, нужно просуммировать взаимную потенциальную энергию всех пар, какие только можно мысленно соста­вить из всех галактик скопления. Число таких пар равно

(1/2)N(N-1)            (1)

     Это выражение, как легко понять, равно, например, числу всех рукопожатий, которыми обменяются N собрав­шихся знакомых, если каждый пожмет руку каждому.

Потенциальная энергия одной пары галактик равна

(Gm1m2)/r                 (2)

    Чтобы ее вычислить для каждой пары, нужно знать и массы галактик и расстояние, их разделяющее. Но мы можем определить только проекцию расстояния, а не само расстояние, которое для каждой пары в отдельности нам неизвестно. Поэтому для вычисления потенциальной энер­гии скопления нужно применить статистический метод. Можно математически вычислить, что среднее значение величины 1/r, обратной расстоянию между двумя точками в однородном шаре, равно (6/(5R))где R — радиус шара. По­этому если использовать это среднее и принять массы всех галактик в скоплении одинаковыми, то потенциаль­ная энергия скопления определится выражением

-((3N(N-1)Gm2)/(5R))                   (3)

    Значение этого выражения для каждого скопления га­лактик нетрудно подсчитать.

Скопление галактикВычисления показали, что во всех скоплениях галак­тик кинетическая энергия больше потенциальной, следо­вательно, нужно сделать вывод, что все скопления неустойчивы, что они разваливаются. Для некоторых скоплений галактик, таких, как скопление в Волосах Вероники или Северной Короне, этот вывод кажется неправдоподоб­ным. Правильная сферическая форма этих скоплений, по­стоянное уплотнение галактик по мере приближения к центру скопления, концентрирование более ярких галак­тик к центру скопления — все это явно свидетельствует о противоположном: об устойчивости, равновесий. Объяснение может быть найдено, если предположить, что в сфе­рических скоплениях галактик имеются значительные массы невидимой материи, например, пыли и газа или дозвездного вещества. Их присутствие увеличит потенци­альную энергию скопления и сделает его устойчивым.

Что касается неправильных скоплений галактик, та­ких, как скопления в Деве или в Печи, то их неустойчи­вость, распад не вызывает сомнений. Превышение кине­тической энергии над потенциальной в них особенно зна­чительно. А строение этих скоплений, напоминающее о хаосе, само подсказывает мысль об их неустойчивости.

Нужно сказать, что неустойчивость и распад не озна­чают обязательно полную неустойчивость и полный рас­пад. Если кинетическая энергия скопления больше его потенциальной энергии, то распад, уход из скопления чле­нов неизбежен. Но после того как из скопления уйдут самые быстродвижущиеся галактики, кинетическая энер­гия скопления уменьшится и может стать меньше потен­циальной энергии — будет достигнута устойчивость. Если закон распределения ско­ростей галактик в скоплении максвелловский — такой же, как закон распределения скоростей у молекул окружающего нас воздуха, то степень распада скопления следую­щим образом зависит от отношения потенциальной энер­гии к кинетической. Если это отношение равно 0,90, то скопление станет устойчивым после того, как из него уй­дут 8% его членов. Если отношение энергий составляет —0,81, то скопление покинут 41% галактик. Если же от­ношение энергий составляет — 0,806 или меньше, то состояние устойчивости никогда не будет достигнуто, скопление распадается полностью.

Скопление галактикВырисовывается следующая общая картина образова­ния и развития скоплений галактик. Скопления формиру­ются одновременно с формированием в них галактик. В ходе этого процесса галактики получают значительные скорости. Если при этом образовавшееся скопление не­достаточно плотное — такое, как скопления в Деве или в

Печи, и потенциальная анергия его недостаточно велика, то оно окажется неустойчивым и начнет распадаться. Распад может быть полным, но может быть и частичным. Может случиться так, что от огромного скопления останется лишь небольшой устойчивый остаток — горстка членов. Если же образовавшееся скопление плотное — такое, как скопления в Волосах Вероники и в Северной Короне, то потенциальная энергия его велика, больше кинетической, оно устойчиво. В результате движений галактик внутри такого скопления достигается правильная форма скопления и устанавливается некоторый закон плотности числа галактик внутри скопления: плотность тем больше, чём ближе место к центру скопления.

 

Приглашаем Вас обсудить данную публикацию на нашем форуме о космосе.

Т.А.Агекян «Звезды, Галактики, Метагалактики» 1981 год. Издание третье, переработаное и дополненое