Блин Зельдовича (или блины Зельдовича) — гипотетическая плоская структура (структуры) из межгалактического газа и тёмной материи в ранней Вселенной после Большого взрыва. Концепция была предложена советским физиком Яковом Борисовичем Зельдовичем в 1970 году и стала одним из первых аналитических описаний формирования крупномасштабной структуры Вселенной. В модели Зельдовича первоначально почти однородное вещество под действием гравитации сжимается преимущественно вдоль одного направления, формируя тонкие плоские образования, которые позднее могут распадаться на протогалактики и галактики. В 1981 году Я. Б. Зельдович и Л. П. Грищук обобщили модель в рамках общей теории относительности.
Концепция блинов Зельдовича стала основой одного из первых космологических сценариев формирования структуры Вселенной «сверху вниз» (от большого к малому). Нелинейная теория Зельдовича предсказала формирование основных элементов крупномасштабной структуры Вселенной — гигантских филаментов и сверхскоплений галактик, образующих наблюдаемую «космическую паутину». Эти идеи также легли в основу приливной теории происхождения вращения галактик.
Первые теоретические представления о формировании плоских структур во Вселенной были разработаны Я. Б. Зельдовичем в 1970 году. Согласно его модели, гравитационная эволюция первоначальных неоднородностей приводит к образованию тонких плотных слоёв материи — «блинов», которые позднее фрагментируются в галактические нити, скопления и отдельные галактики. Первые наблюдательные свидетельства существования подобных крупномасштабных структур появились в ходе обзоров красных смещений галактик. В 1989 году М. Геллер и Дж. Хучра обнаружили Великую стену CfA2 — одну из первых гигантских плоских структур в распределении галактик, интерпретируемую как часть космической сети. Позднейшие обзоры, включая SDSS, выявили множество подобных образований — стены, нити и сверхскопления, а численные модели формирования структуры Вселенной воспроизвели их возникновение в результате гравитационной эволюции тёмной материи и обычного вещества.
В 1991 году радиоастрономы обсерватории Very Large Array обнаружили гигантский сгусток первичного водорода на краю наблюдаемой Вселенной, который имеет вид одного из гипотетических «блинов».
Хотя современная модель формирования структуры Вселенной в большей степени основана на иерархическом сценарии «снизу вверх» (согласно которой структуры в космосе возникали путём последовательного объединения более мелких объектов в более крупные), идеи Зельдовича сыграли фундаментальную роль в развитии представлений о ранней эволюции Вселенной. Модель «сверху вниз» позволила впервые описать переход от почти однородного распределения вещества после Большого взрыва к сложной пространственной организации галактик, наблюдаемой в современной Вселенной.
История В 1970 году Яков Зельдович предложил приближённое описание эволюции крупномасштабных неоднородностей вещества во Вселенной, которое стало одним из первых аналитических подходов к исследованию формирования крупномасштабной структуры Вселенной. В своей работе Зельдович рассмотрел поведение протяжённых областей вещества, имеющих форму эллипсоида, и показал, что их гравитационный коллапс происходит неравномерно по различным направлениям.
Согласно предложенной модели, если рассматривать достаточно большой объем области повышенной плотности вещества, которые можно приближённо описывать как эллипсоидальные возмущения в ранней Вселенной, то его сжатие будет происходить преимущественно вдоль наименьшей оси. Это связано с тем, что гравитационное притяжение быстрее приводит к уменьшению размеров структуры в направлении максимальной концентрации вещества. В результате коллапс сначала становится практически одномерным: вещество сжимается в одном направлении, сохраняя значительно большие размеры в двух других.
Такой процесс приводит к постепенному превращению первоначально трёхмерного распределения вещества в тонкий плотный слой. Образовавшаяся структура имеет форму плоского диска или пластины, напоминающей по внешнему виду блин, что и послужило причиной появления термина «блин Зельдовича». Данная стадия рассматривается как один из промежуточных этапов формирования галактик, скоплений галактик и элементов космической сети.
В рамках приближения Зельдовича предполагалось, что на ранних стадиях гравитационного коллапса неоднородностей плотности давление обычного вещества и процессы столкновений играют второстепенную роль по сравнению с гравитационным взаимодействием. Поэтому движение вещества можно приближённо описывать как движение частиц в расширяющейся Вселенной под действием собственной гравитации. Особенно эффективно данный подход применяется к холодной тёмной материи, которая практически не обладает давлением. Приближение Зельдовича позволило описывать развитие космологических структур после выхода первичных возмущений плотности за пределы линейного режима, когда простые решения теории возмущений становились недостаточными для описания дальнейшей эволюции вещества. Оно стало одним из первых аналитических методов исследования нелинейного формирования крупномасштабной структуры Вселенной. Данный подход показал, каким образом небольшие неоднородности плотности, возникшие в ранней Вселенной после Большого взрыва, могли постепенно привести к формированию сложной космической сети, включающей галактики, галактические филаменты, скопления галактик и области пониженной плотности — космические пустоты.
Несмотря на развитие современных численных моделей на основе модели холодной тёмной материи, приближение Зельдовича продолжает использоваться в аналитических исследованиях и компьютерном моделировании. Оно остаётся важным инструментом для изучения ранних этапов формирования крупномасштабной структуры Вселенной и перехода от почти однородного распределения вещества к наблюдаемой космической сети.
Физические предпосылки Приближение Зельдовича применяется для описания эволюции областей повышенной плотности вещества космологических масштабов. На таких расстояниях давление обычного вещества обычно не определяет общую динамику, и развитие структуры в основном задаётся гравитационным взаимодействием, особенно для холодной тёмной материи. В рамках модели движение частиц приближённо рассматривается как гравитационное движение в расширяющейся Вселенной.
На ранних этапах после рекомбинации первичные неоднородности плотности, возникшие в ранней Вселенной, начали постепенно усиливаться под действием гравитационной неустойчивости. Хотя первоначальные возмущения были очень малы, различия в скорости сжатия по разным направлениям привели к неравномерному коллапсу вещества и формированию плоских структур — «блинов Зельдовича». В дальнейшем такие структуры эволюционировали, образуя элементы космической сети — филаменты, узлы повышенной плотности и области разреженного вещества. Обычное вещество, находившееся внутри этих структур, испытывало дополнительные процессы: нагрев при сжатии, охлаждение, фрагментацию газовых облаков и последующее формирование звёзд и галактик внутри гало тёмной материи.
Таким образом, приближение Зельдовича описывает ранние стадии гравитационного формирования крупномасштабной структуры Вселенной, тогда как процессы рождения звёзд и галактик требуют учёта дополнительных физических механизмов.
Модель формирования крупномасштабной структуры Вселенной «сверху вниз» Развитие концепции блинов Зельдовича привело к одному из первых сценариев формирования крупномасштабной структуры Вселенной — сценарию «сверху вниз» (top-down). Согласно этому подходу, первоначально должны возникать наиболее крупные структуры вещества, которые затем подвергаются фрагментации и приводят к образованию более мелких объектов. В рамках такой модели предполагалось, что первичные неоднородности плотности, возникшие после Большого взрыва, постепенно усиливались под действием гравитационной неустойчивости. На ранних этапах эволюции могли формироваться крупные плоские области повышенной плотности — «блины Зельдовича», которые позднее распадались на более сложные структуры.
В 1989 году Я. Б. Зельдович и С. Ф. Шандарин обобщили представления о нелинейной эволюции космологических возмущений и показали, что гравитационный коллапс вещества может приводить к формированию различных элементов космической структуры. В зависимости от числа направлений, по которым происходит сжатие, возникают плоские образования, нитевидные структуры и компактные области высокой плотности. Эти структуры являются основными элементами космической сети — сложной системы распределения вещества во Вселенной, включающей галактики, филаменты, скопления галактик и разделяющие их космические пустоты.
Однако современные космологические модели на основе холодной тёмной материи преимущественно поддерживают сценарий «снизу вверх», согласно которому сначала формируются небольшие гало тёмной материи, а затем они объединяются в более крупные структуры. Поэтому сценарий «сверху вниз» в первоначальном виде сегодня рассматривается главным образом как исторический этап развития космологии.
Примечания
Категория:1970 год в науке Категория:Физическая космология