Astronet > Evolyuciya vselennoi

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Evolyuciya vselennoi

A.N.VASIL'EV

Sankt-Peterburgskii gosudarstvennyi universitet

V stat'e kratko izlagaetsya sovremennaya teoriya Bol'shogo Vzryva, ob'yasnyayushaya evolyuciyu nablyudaemoi Vselennoi.

Kartina nochnogo neba predstavlyaetsya nablyudatelyu nekotorym etalonom stabil'nosti po sravneniyu s okruzhayushimi ego processami na Zemle i v obshestve: na protyazhenii vsei zhizni cheloveka vidimye zvezdy sohranyayut neizmennymi svoi polozheniya i yarkosti, sohranyaetsya privychnyi risunok sozvezdii, i eto edinoobrazie narushaetsya lish' zametnym dvizheniem nebol'shogo chisla ob'ektov tipa planet ili komet, otnosyashihsya k nashei Solnechnoi sisteme.

No eto pervoe vpechatlenie neizmennosti okruzhayushei nas Vselennoi v deistvitel'nosti obmanchivo: ona evolyucioniruet, i eta evolyuciya, sravnitel'no medlennaya seichas, na rannih etapah byla nevoobrazimo bystroi, tak chto ser'eznye kachestvennye izmeneniya sostoyaniya Vselennoi proishodili za doli sekundy. Po sovremennym predstavleniyam, nablyudaemaya nami seichas Vselennaya voznikla okolo 15 milliardov let nazad iz nekotorogo nachal'nogo "singulyarnogo" sostoyaniya s beskonechno bol'shimi temperaturoi i plotnost'yu i s teh por nepreryvno rasshiryaetsya i ohlazhdaetsya. Soglasno etoi teorii Bol'shogo Vzryva, dal'neishaya evolyuciya zavisit ot izmerimogo eksperimental'no parametra $\rho$ - srednei plotnosti veshestva v sovremennoi Vselennoi. Esli $\rho$ men'she nekotorogo (izvestnogo iz teorii) kriticheskogo znacheniya $\rho_c$ , Vselennaya budet rasshiryat'sya vechno; esli zhe $\rho$ > $\rho_c$ , to process rasshireniya kogda-nibud' ostanovitsya i nachnetsya obratnaya faza szhatiya, vozvrashayushaya k ishodnomu singulyarnomu sostoyaniyu. Sovremennye eksperimental'nye dannye otnositel'no velichiny $\rho$ eshe nedostatochno nadezhny, chtoby sdelat' odnoznachnyi vybor mezhdu dvumya variantami budushego Vselennoi.

Est' ryad voprosov, na kotorye teoriya Bol'shogo Vzryva otvetit' poka ne mozhet, odnako osnovnye ee polozheniya obosnovany nadezhnymi eksperimental'nymi dannymi, a sovremennyi uroven' teoreticheskoi fiziki pozvolyaet vpolne dostoverno opisat' evolyuciyu takoi sistemy vo vremeni, za isklyucheniem samogo nachal'nogo etapa - poryadka sotoi doli sekundy ot "nachala mira". Dlya teorii vazhno, chto eta neopredelennost' na nachal'nom etape fakticheski okazyvaetsya nesushestvennoi, poskol'ku obrazuyusheesya posle prohozhdeniya dannogo etapa sostoyanie Vselennoi i ego posleduyushuyu evolyuciyu mozhno opisat' vpolne dostoverno.

Zakonchiv na etom obshee vvedenie, perehodim k bolee podrobnomu izlozheniyu teorii Bol'shogo Vzryva i porozhdaemyh eyu problem. Osnovnymi eksperimental'nymi osnovaniyami dannoi teorii yavlyayutsya sleduyushie tri:

Nablyudaemoe "razbeganie" dalekih galaktik, podchinyayusheesya zakonu Habbla $\upsilon=RH$ .
Otkrytie v 1964 godu R. Penziasom i A. Vil'sonom kosmicheskogo fona "reliktovogo izlucheniya", po intensivnosti i spektral'nomu sostavu ekvivalentnogo izlucheniyu chernogo tela s temperaturoi okolo 3 K (gradusy Kel'vina).
Nablyudaemyi himicheskii sostav Vselennoi, sostoyashei priblizitel'no iz 3/4 (po masse) vodoroda i 1/4 geliya s nebol'shoi (poryadka odnogo procenta) primes'yu prochih elementov.

Dlya opisaniya evolyucii posle pervoi sotoi doli sekundy ispol'zuyutsya sleduyushie razdely teoreticheskoi fiziki:

ravnovesnaya statfizika, glavnym obrazom ee osnovnye principy i teoriya relyativistskogo ideal'nogo gaza;
obshaya teoriya otnositel'nosti Einshteina, v chastnosti kosmologicheskaya model' Fridmana rasshiryayusheisya vselennoi;
nekotorye svedeniya iz fiziki elementarnyh chastic: spisok osnovnyh chastic, ih harakteristiki, tipy vzaimodeistviya, zakony sohraneniya.

Vse nuzhnye svedeniya i zakonomernosti iz etih razdelov yavlyayutsya nadezhno ustanovlennymi, poetomu poluchaemuyu s ih pomosh'yu informaciyu otnositel'no evolyucii sistemy mozhno schitat' vpolne dostovernoi. Principial'nye trudnosti voznikayut lish' pri popytke prodvinut'sya eshe blizhe k "nachalu mira", t.e. vnutr' pervoi sotoi doli sekundy. Dlya etogo nuzhny nadezhnye svedeniya o fizike elementarnyh chastic v oblasti sverhvysokih energii, kotorymi my seichas ne raspolagaem, poskol'ku takie energii nedostizhimy na zemnyh uskoritelyah. Pri dal'neishem prodvizhenii k nachalu mira my v kakoi-to moment stolknemsya s eshe bolee trudnoi problemoi neobhodimosti "kvantovaniya gravitacii", poka ne imeyushei dazhe principial'nogo udovletvoritel'nogo resheniya. V silu etih prichin vse popytki issledovaniya samyh pervyh mgnovenii sushestvovaniya nashego mira ostayutsya poka chisto umozritel'nymi teoreticheskimi postroeniyami. Poetomu my budem prosto isklyuchat' iz rassmotreniya eto "pervoe mgnovenie" evolyucii, ogranichivayas' lish' posleduyushim etapom, dlya kotorogo raspolagaem dostovernoi informaciei.

Prezhde vsego poyasnim podrobnee perechislennye vyshe osnovnye eksperimental'nye svidetel'stva v pol'zu teorii Bol'shogo Vzryva.

1. Rasshirenie vselennoi

Po dannym sovremennoi nablyudatel'noi astronomii zvezdy vo Vselennoi gruppiruyutsya v galaktiki, kotorye, v svoyu ochered', takzhe obrazuyut skopleniya. Predstavlenie o poryadkah velichin dayut sleduyushie cifry: nasha Galaktika soderzhit ~ 10¹¹ zvezd i imeet formu linzy diametrom 80 tysyach svetovyh let i tolshinoi ~ 30 tysyach svetovyh let. Blizhaishaya k nam galaktika M31 v sozvezdii Andromedy udalena ot nas na rasstoyanie poryadka 2 millionov svetovyh let. My nahodimsya na periferii gigantskogo skopleniya bolee tysyachi galaktik s centrom v napravlenii sozvezdiya Devy, udalennym na rasstoyanie ~ 60 millionov svetovyh let. Vozmozhnosti sovremennoi tehniki pozvolyayut nablyudat' dostatochno yarkie galaktiki vplot' do rasstoyanii poryadka 10 milliardov svetovyh let. Dannye nablyudenii pokazyvayut, chto v krupnyh masshtabah Vselennaya odnorodna i izotropna. Grubo govorya, eto oznachaet, chto v lyuboi sfere s fiksirovannym dostatochno bol'shim diametrom (dostatochnym schitaetsya chislo ~ 300 millionov svetovyh let) soderzhitsya priblizitel'no odinakovoe chislo galaktik. Utverzhdenie ob odnorodnosti i izotropnosti Vselennoi v bol'shih masshtabah prinyato nazyvat' Kosmologicheskim Principom.

V nablyudaemyh spektrah zvezd i galaktik horosho razlichimy spektral'nye linii poglosheniya (hromosferami zvezd) izvestnyh elementov. Eto pozvolyaet dovol'no tochno izmeryat' s pomosh'yu horosho izvestnogo effekta Doplera skorost' $\upsilon$ , s kotoroi dannyi izluchayushii ob'ekt udalyaetsya ( $\upsilon$ > 0) ili priblizhaetsya ( $\upsilon$ < 0) po otnosheniyu k zemnomu nablyudatelyu. Takoe dvizhenie privodit k smesheniyu $\lambda$ \rightarrow $\lambda$ ' dliny volny $\lambda$ izluchayushego istochnika:

$\frac{\lambda'}{\lambda}=\frac{1+\upsilon/c}{\sqrt{1-(\upsilon/c)^2\,}},$

(1)

gde $\upsilon$ - skorost' udaleniya, $c$ - skorost' sveta (znamenatel' (1) - popravka v relyativistskoi teorii Einshteina, sushestvennaya tol'ko pri $\upsilon$ , blizkih k skorosti sveta $c$ ). Iz (1) vidno, chto dlya udalyayushegosya ot nas ob'ekta linii smeshayutsya v krasnuyu storonu ( $\lambda$ > $\lambda$ '), a dlya priblizhayushegosya - v golubuyu ( $\lambda$ < $\lambda$ ').

Esli by okruzhayushie nas galaktiki dvigalis' haoticheski, to krasnye i golubye smesheniya v ih spektrah nablyudalis' by s odinakovoi veroyatnost'yu. No eksperiment pokazyvaet drugoe: krasnye smesheniya preobladayut i tem bol'she, chem dal'she ot nas nahodyatsya izuchaemye ob'ekty. Kolichestvennym itogom etih nablyudenii yavlyaetsya sformulirovannyi v 1929 godu Habblom "zakon razbeganiya", soglasno kotoromu vse galaktiki (v srednem) udalyayutsya ot nas i skorost' etogo razbeganiya $\upsilon$ priblizitel'no proporcional'na rasstoyaniyu $R$ do rassmatrivaemoi galaktiki:

$\upsilon=HR, \qquad H\cong 15 \frac{\mbox{km}}{\mbox{c}} \left/ 10^6\textrm{~svetovyh let.}\right.$

(2)

Koefficient proporcional'nosti $H$ nazyvayut postoyannoi Habbla. My ukazali v (2) prinimaemoe seichas bol'shinstvom astronomov znachenie: 15 km/s na kazhdyi million svetovyh let rasstoyaniya. Zdes' sleduet otmetit', chto opredelenie velichiny $H$ po dannym eksperimenta yavlyaetsya ochen' trudnoi zadachei: skorosti $\upsilon$ po effektu Doplera mozhno opredelit' dostatochno tochno, no izmerenie rasstoyanii $R$ do dalekih galaktik - trudneishaya problema, i do sih por ona reshaetsya lish' razlichnymi kosvennymi metodami. Sam Habbl pri ocenke rasstoyanii zanizil ih na poryadok, poetomu poluchil na poryadok bol'shee, chem v (2), znachenie $H$ (170 vmesto 15). Do sih por chast' astronomov schitaet, chto znachenie $H$ zametno bol'she privedennogo v (2), no bol'shinstvo prinimaet cifru 15.

Iz zakona razbeganiya (2), razumeetsya, ne sleduet, chto nasha galaktika yavlyaetsya centrom mira, a vse prochie udalyayutsya ot nee. Soglasno Kosmologicheskomu Principu nasha galaktika nichem ne vydelena, tak chto tochno takuyu zhe kartinu razbeganiya dolzhen videt' nablyudatel' iz lyuboi drugoi galaktiki. Eto znachit, chto "vse razbegayutsya ot vseh". Naglyadnoi model'yu takogo razbeganiya mozhet posluzhit' naduvaemyi rezinovyi sharik s nanesennymi haoticheski na ego poverhnost' tochkami - "galaktikami": pri naduvanii vse eti tochki budut udalyat'sya drug ot druga v tochnom sootvetstvii s zakonom Habbla (2). Eto model' "dvumernogo zamknutogo mira". Analogichnyi "otkrytyi mir" mozhno predstavit' v vide rezinovoi ploskosti s nanesennymi tochkami, ravnomerno rastyagivayusheisya vo vseh napravleniyah.

Iz proporcional'nosti $\upsilon$ i $H$ v zakone (2) vytekaet fundamental'nyi vyvod otnositel'no sushestvovaniya "nachala mira": gde-to v proshlom byl moment, v kotoryi lyubaya iz nablyudaemyh seichas galaktik byla beskonechno blizka k nashei, sledovatel'no, "lyubaya k lyuboi" v silu Kosmologicheskogo Principa. Iz-za takogo sblizheniya plotnost' veshestva vo Vselennoi v "nachal'nyi moment" stanovitsya beskonechnoi. No eto ne oznachaet, chto vse ono bylo sobrano v odnom meste, tak kak tot zhe Kosmologicheskii Princip trebuet, chtoby plotnost' stanovilas' beskonechnoi v lyuboi tochke prostranstva.

Ocenit' "vozrast Vselennoi" $t_0$ mozhno ochen' prosto, esli predpolozhit', chto postoyannaya Habbla $H$ v processe rasshireniya ostaetsya neizmennoi: togda $t_0 = 1/H\cong 20$ milliardov let dlya chisla iz (2). Na samom dele predpolozhenie o neizmennosti $H$ nepravil'no i tochnuyu ocenku $t_0$ mozhno poluchit' tol'ko s pomosh'yu kosmologicheskoi modeli Fridmana (sm. dalee). K kachestvennym izmeneniyam eto ne privodit, a dlya $t_0$ togda poluchaetsya $t_0 = 2H/3\cong$ 14 milliardov let.

2. Reliktovoe izluchenie

Eto vazhneishee kosmologicheskoe otkrytie nashego veka, kotoroe bylo sdelano sluchaino. V 1964 godu astronomy R. Penzias i A. Vil'son reshili izmerit' fonovoe radioizluchenie nashei Galaktiki v napravleniyah vne ee ploskosti ekliptiki. Dlya etogo oni reshili vospol'zovat'sya postroennoi dlya svyazi so sputnikami rupornoi antennoi laboratorii firmy Bell-Telefon, skonstruirovannoi tak, chtoby obespechit' sverhnizkii uroven' sobstvennyh shumov. Poslednee ochen' vazhno, tak kak ozhidaemoe fonovoe radioizluchenie galaktiki takzhe podobno radioshumu, kotoryi sledovalo vydelit' na fone drugih shumov ot atmosfery, samoi antenny i ee usilitel'nyh cepei.

Posle tshatel'nogo analiza i ocenki vseh etih "parazitnyh" shumov Penzias i Vil'son nachali izmereniya na sravnitel'no korotkih volnah s dlinoi 7,35 sm (mikrovolnovyi diapazon), dlya kotoryh radioshum galaktiki dolzhen prakticheski otsutstvovat'. Oni ozhidali, chto ves' signal budet togda prostoi summoi uzhe izvestnyh "parazitnyh shumov". No okazalos', chto krome nih sistema registriruet nekotoryi slabyi dopolnitel'nyi radioshum, intensivnost' kotorogo ne zavisit ni ot napravleniya antenny, ni ot vremeni sutok.

Penzias i Vil'son ne ponimali prirody etogo dopolnitel'nogo radioshuma i dazhe razobrali, pochistili i vnov' sobrali vsyu antennu, chtoby isklyuchit' dobavochnye pomehi ot vozmozhnyh zagryaznenii. No eto prakticheski ne izmenilo rezul'tat, i im prishlos' konstatirovat', chto po neponyatnym (dlya nih) prichinam ih antenna prinimaet dopolnitel'nyi slabyi radioshum vnezemnogo proishozhdeniya, intensivnost' kotorogo postoyanna vo vremeni i ne zavisit ot napravleniya. Izmerennaya imi na dline volny 7,35 sm intensivnost' etogo radiosignala okazalas' ravnoi intensivnosti izlucheniya na dannoi dline volny absolyutno chernogo tela s temperaturoi okolo treh kel'vinov. Penzias i Vil'son natknulis' na etot fakt sluchaino i nekotoroe vremya dazhe ne reshalis' opublikovat' svoi rezul'taty, poskol'ku ne ponimali prirody obnaruzhennogo imi radioshuma (v 1978 godu oni poluchili za svoe otkrytie Nobelevskuyu premiyu). No uzhe v konce sorokovyh godov poyavilis' pervye raboty fizikov-teoretikov, v kotoryh predskazyvalos', chto v nastoyashii moment vsya Vselennaya dolzhna byt' zapolnena ravnovesnym elektromagnitnym izlucheniem s effektivnoi temperaturoi v neskol'ko gradusov Kel'vina.

Raspredelenie po energiyam takogo ravnovesnogo izlucheniya (ono zhe izluchenie absolyutno chernogo tela) opisyvaetsya izvestnoi formuloi Planka

$d\rho=d\lambda \frac{8\pi hc}{\lambda^5}\frac{1}{e^{hc/\lambda kt}-1}\,,$

(3)

v kotoroi $d\rho$ - energiya v edinice ob'ema, prihodyashayasya na interval dlin voln ot $\lambda$ do $\lambda$ + $d\lambda$ , $T$ - temperatura v kel'vinah K, $h = 6,625 \cdot10^{-27}$ erg s - postoyannaya Planka, $k = 1,38 \cdot 10^{-16}$ erg/K - postoyannaya Bol'cmana, c = 3 $\cdot 10^{10}$ sm/c - skorost' sveta.

Soglasno utverzhdeniyam teoretikov, na rannei stadii Vselennaya byla zapolnena ravnovesnym izlucheniem s ochen' vysokoi temperaturoi. V processe rasshireniya Vselennoi eto izluchenie ohlazhdalos', ostavayas' ravnovesnym, i k nastoyashemu vremeni temperatura opustilas' do znachenii neskol'kih gradusov Kel'vina. Imenno eto "reliktovoe izluchenie", ostavsheesya ot nachal'noi fazy goryachei rannei Vselennoi, obnaruzhili Penzias i Vil'son. Oni uznali ob etom, vstupiv v kontakt s fizikami iz Prinstonskogo universiteta, kotorye byli znakomy s teoriei goryachei (na rannei stadii) Vselennoi i uzhe stroili special'nuyu antennu dlya obnaruzheniya reliktovogo izlucheniya. No Penzias i Vil'son ih operedili.

Nalichie reliktovogo izlucheniya schitaetsya v nastoyashii moment dostoverno ustanovlennym faktom. Osnovnoi proverkoi yavlyaetsya vozmozhnost' ego izmereniya na raznyh dlinah voln $\lambda$ : intensivnost' signala dolzhna byt' proporcional'noi izvestnoi iz (3) velichine $d\rho/d\lambda$ s odnoi i toi zhe dlya vseh $\lambda$ temperaturoi $T$ . V nastoyashee vremya izmereniya vypolneny dlya desyatkov razlichnyh dlin voln kak v mikrovolnovoi, tak i v infrakrasnoi oblasti spektra elektromagnitnyh voln (soglasno raspredeleniyu (3) maksimum intensivnosti pri $T$ = 3 K sootvetstvuet $\lambda$ = 0,1 sm, bolee korotkie volny otnosyatsya uzhe k infrakrasnoi oblasti). Po poslednim dannym, poluchennym s pomosh'yu ustanovlennoi na sputnikah apparatury, sovremennoe znachenie temperatury reliktovogo izlucheniya est' 2,74 K. Tochnost' etih izmerenii uzhe nastol'ko vysoka, chto ona pozvolila obnaruzhit' nalichie slaboi anizotropii reliktovogo izlucheniya, ob'yasnyayusheisya dvizheniem zemnogo nablyudatelya cherez zapolnennoe izlucheniem prostranstvo. Vsledstvie togo zhe effekta Doplera izluchenie pryamo po napravleniyu dvizheniya dolzhno kazat'sya nemnogo bolee goryachim, a v obratnom napravlenii - bolee holodnym. Eti nebol'shie (poryadka 10^-3 ot osnovnoi velichiny) variacii temperatury byli obnaruzheny eksperimental'no, i oni imeyut harakternuyu ( $\propto\cos\theta$ ) uglovuyu zavisimost'. Po etim dannym mozhno vychislit' skorost' dvizheniya Zemli otnositel'no etogo "novogo efira", obrazovannogo fonom reliktovogo izlucheniya. V itoge poluchaetsya znachenie poryadka 600 km/s. Pomimo etoi "kazhusheisya" anizotropii, v eksperimentah obnaruzhena i nastoyashaya (ne svyazannaya s dvizheniem Zemli) anizotropiya reliktovogo izlucheniya. Ona ochen' mala (poryadka 10^-5 ot osnovnoi velichiny), poetomu s vysokoi stepen'yu tochnosti reliktovoe izluchenie mozhno schitat' odnorodnym i izotropnym. No sam fakt nalichiya hotya by ochen' slaboi anizotropii principial'no vazhen dlya razlichnyh teorii, pytayushihsya ob'yasnit' i opisat' matematicheski proishozhdenie galaktik.

3. SOSTAV VSELENNO'

Kak uzhe bylo skazano, po dannym nablyudenii Vselennaya sostoit v osnovnom iz vodoroda (3/4 po masse) i geliya (1/4), prochie elementy sostavlyayut primes' poryadka odnogo procenta. Eti dannye polucheny po spektram zvezd i mezhzvezdnogo gaza i horosho soglasuyutsya s teoreticheskimi modelyami astrofiziki, opisyvayushimi sostav i evolyuciyu zvezd. Privedennye vyshe cifry 3/4 i 1/4 otnosyatsya k nachal'noi faze etoi evolyucii, v processe kotoroi v zvezdah vyrabatyvayutsya i drugie, v tom chisle tyazhelye, elementy.

Po sovremennym predstavleniyam, gde-to v pervye minuty svoego sushestvovaniya Vselennaya proshla "eru nukleosinteza" (podrobnee potom), vo vremya kotoroi i obrazovalis' vodorod i gelii v proporcii 3 : 1 plyus nichtozhnaya primes' drugih legkih elementov, v chastnosti litiya Li, i izotopov vodoroda - deiteriya D i tritiya T. Vse prochie bolee tyazhelye elementy obrazovalis' uzhe gorazdo pozdnee vnutri zvezd, a v mezhzvezdnoe prostranstvo oni popadayut pri vzryvah sverhnovyh i t.p. Kak eto ni stranno, imenno prostoi fakt preobladaniya vodoroda vo Vselennoi pozvolil teoretikam predskazat' neobhodimost' sushestvovaniya reliktovogo izlucheniya.

Dlya dal'neishego izlozheniya takzhe vazhno sopostavit' plotnost' yadernyh chastic (protonov i neitronov) v nablyudaemoi Vselennoi s plotnost'yu chisla fotonov v reliktovom izluchenii. Soglasno teorii Planka, ravnovesnoe elektromagnitnoe izluchenie mozhno rassmatrivat' kak nekotoryi ideal'nyi gaz bezmassovyh chastic - fotonov, imeyushih energiyu $\overline{E}=hc/\lambda=h\nu$ dlya dliny volny $\lambda$ . Plotnost' energii (3) svyazana s plotnost'yu chisla fotonov $n$ ochevidnym sootnosheniem $d\rho = dn \cdot E_{\lambda}$ , tak chto iz (3) opredelyaetsya i raspredelenie chisla fotonov po dlinam voln. Integriruya $dn$ po vsem $\lambda$ , poluchim polnoe chislo fotonov $n$ v edinice ob'ema, analogichnyi integral ot $d\rho$ iz (3) daet ob'emnuyu plotnost' energii $\rho$ , chastnoe $\rho/n$ - srednyuyu energiyu odnogo fotona $\overline E$ . Vse eti velichiny zavisyat tol'ko ot temperatury $T$ i mirovyh konstant:

$\rho = a_{1}T^{4}~$ [erg/sm³], $n = a_{2}T^3$ [fotonov/sm³],

$\rho = a_{1}T^{4}~$ [erg/sm³], $n = a_{2}T^3$ [fotonov/sm³], (4)

$\overline E = a_{3}T~$ [erg],

gde $T$ - temperatura v kel'vinah, $a_i$ - izvestnye konstanty: $a_{1} = 7,56\cdot 10^{-15}, a_{2} = 20,28, a_{3} = 3,73\cdot 10^{-16}$ . Pervoe iz sootnoshenii (4) nazyvaetsya zakonom Stefana-Bol'cmana. Iz (4) sleduet , chto pri sovremennoi temperature $T$ = 3 K v fone reliktovogo izlucheniya soderzhitsya 550 millionov fotonov na 1 kubometr. Ocenka plotnosti veshestva po dannym nablyudenii ostaetsya poka neopredelennoi, no v lyubom sluchae ne vyhodit iz granic ot 6 do 0,03 yadernyh chasticy na 1 kubometr (kriticheskoi plotnosti sootvetstvuet chislo 3). Takim obrazom, na odnu yadernuyu chasticu prihoditsya poryadka 10⁸ - 10¹⁰ fotonov. V dal'neishem pri ocenkah budem prinimat' cifru 10⁹ : odin milliard fotonov na odnu yadernuyu chasticu.

Hotya eto ochen' bol'shoe chislo, osnovnaya energiya seichas sosredotochena v veshestve, a ne v izluchenii. Energiya $E = mc^2$ odnoi yadernoi chasticy ravna priblizitel'no 1000 MeV (MeV = 1 million elektronvol't), togda kak poluchaemaya iz (4) srednyaya energiya odnogo fotona pri $T$ = 3 K sostavlyaet v teh zhe edinicah (1 erg = $6,24\cdot10^{11}$ eV) priblizitel'no $7\cdot10^{-4}$ eV. Eta velichina dazhe posle umnozheniya na 10⁹ ostaetsya na tri poryadka men'she energii odnoi yadernoi chasticy, tak chto podavlyayushaya dolya plotnosti energii prihoditsya seichas na veshestvo. No tak bylo ne vsegda: na rannei stadii osnovnaya dolya energii prihodilas' na izluchenie (sm. nizhe).

Perehodya k opisaniyu samogo processa evolyucii, vydelim myslenno v prostranstve proizvol'nuyu sferu dostatochno bol'shogo radiusa $R$ ("dostatochno" dlya spravedlivosti Kosmologicheskogo Principa) i budem sledit' za evolyuciei vo vremeni soderzhashegosya vnutri dannoi oblasti izlucheniya i veshestva, predpolagaya ih raspredelenie odnorodnym i izotropnym. Termin "izluchenie vnutri dannoi sfery", konechno, usloven, poskol'ku fotony mogut vyhodit' iz nee i prihodit' izvne. No eti dva processa v silu predpolagaemoi odnorodnosti vzaimno kompensiruyut drug druga, tak chto ponyatie "kolichestvo izlucheniya (energii) vnutri dannoi sfery" imeet smysl. Soglasno zakonu Habbla (1) radius rassmatrivaemoi oblasti rastet so skorost'yu $\upsilon =\dot R = HR$ . Poskol'ku kolichestvo veshestva vnutri sfery ostaetsya neizmennym, ego plotnost' izmenyaetsya po zakonu $\rho_\textrm{\normalsize vesh}\propto R^{-3}$ . Eto otnositsya i k energeticheskoi, i k massovoi plotnosti, tak kak oni svyazany prostoi proporcional'nost'yu $E = mc^2$ .

Rassmotrim teper' energiyu reliktovogo izlucheniya. V nastoyashii moment Vselennaya prakticheski prozrachna dlya elektromagnitnyh voln (raz my vidim dalekie galaktiki), t.e. seichas izluchenie fakticheski ne vzaimodeistvuet s veshestvom i evolyucioniruet samostoyatel'no. Ego mozhno rassmatrivat' kak relyativistskii gaz fotonov s nekotoroi temperaturoi $T$ , nahodyashiisya vnutri sfery radiusa $R$ i adiabaticheski (t.e. bez obmena teplom s vneshnei oblast'yu) rasshiryayushiisya. Iz statisticheskoi fiziki izvestno, chto polnaya entropiya takogo gaza proporcional'na $VT^{3} (V = 4\pi R^{3}/3$ - ob'em sfery) i ostaetsya postoyannoi v processe rasshireniya. Otsyuda sleduet, chto $R$ i $T$ svyazany sootnosheniem $RT$ = const, t.e. $T\propto 1/R$ . Eto znachit, chto v tot moment proshlogo, kogda vse galaktiki byli vdvoe blizhe drug k drugu, Vselennaya byla vdvoe goryachee i chto "ochen' davno" ona byla "ochen' goryachei". Termin "temperatura Vselennoi" v dannoi faze oboznachaet temperaturu reliktovogo izlucheniya i ne imeet otnosheniya k veshestvu.

Iz skazannogo vyshe i pervogo ravenstva (4) sleduet, chto energeticheskie plotnosti veshestva i izlucheniya svyazany s $R$ i $T$ sleduyushimi sootnosheniyami: $\rho$ _izl $\propto T^4$ , $\rho$ _vesh $\propto T^3$ , $T\propto 1/R$ . Iz nih sleduet, chto pri "dvizhenii v proshloe" ( $R\rightarrow 0, T\rightarrow \infty$ ) velichina $\rho$ _izl rastet bystree, chem $\rho$ _vesh . Poetomu sovremennaya "epoha veshestva" ( $\rho$ _izl $\ll\rho$ _vesh) gde-to v proshlom obyazatel'no dolzhna perehodit' v "epohu izlucheniya" ( $\rho$ _izl $\gg\rho$ _vesh) s drugoi zavisimost'yu $\rho$ ot $R$ i $T$ .

Rassmotrim v obshih chertah osnovnye etapy evolyucii, dvigayas' nazad po napravleniyu k "nachalu mira" i prinimaya za nezavisimuyu peremennuyu temperaturu $T$ (vposledstvii my uvyazhem ee s vozrastom Vselennoi). S rostom $T$ rastet srednyaya energiya fotona (4), po poryadku velichiny ravnaya $kT$ . Kachestvennye izmeneniya proishodyat togda, kogda velichina $kT$ dostigaet znachenii poryadka energii svyazi elektronov v atomah i molekulah (~ 1 eV), zatem yader (~ 1 MeV), zatem - porogov rozhdeniya par chastica - antichastica, snachala dlya samyh legkih elementarnyh chastic, potom s rostom $T$ - vse bolee tyazhelyh. Poyasnim podrobnee. Elementarnye chasticy harakterizuyutsya svoei massoi pokoya $m$ (obychno vmesto $m$ privoditsya znachenie sootvetstvuyushei energii $E = mc^2$ v elektronvol'tah), a takzhe diskretnymi kvantovymi chislami: spinom (vnutrennii moment kolichestva dvizheniya) i razlichnymi zaryadami - elektricheskim, barionnym i leptonnym. V podhodyashih edinicah spin lyuboi chasticy yavlyaetsya celym ili polucelym chislom, chasticy s celym spinom yavlyayutsya bozonami, s polucelym - fermionami. Foton - chastnyi sluchai bozona so spinom 1 i nulevymi znacheniyami $m$ i vseh treh zaryadov. Esli dlya dannogo sorta chastic $kT\gg mcE^2$ , to ih massoi mozhno prenebrech', i togda dlya lyubyh bozonnyh chastic raspredelenie po energiyam budet imet' tot zhe vid (3), chto i dlya fotonov, a dlya fermionov znak minus v znamenatele (3) zamenitsya znakom plyus. Eto privedet lish' k neznachitel'nomu (mnozhiteli tipa 7/8) izmeneniyu koefficientov v formulah (4), tak chto razlichie mezhdu bozonami i fermionami $kT\gg mcE^2$ nesushestvenno.

Bol'shinstvo chastic imeet sootvetstvuyushuyu paru - antichasticu s toi zhe massoi i spinom i protivopolozhnymi znacheniyami vseh zaryadov. Vse tri zaryada sohranyayutsya v lyubyh processah vzaimodeistviya elementarnyh chastic. Pri ih stolknoveniyah mogut proishodit' lyubye vzaimoprevrasheniya chastic, dopustimye po energii i zakonam sohraneniya zaryadov. V chastnosti, pri stolknovenii dvuh fotonov s dostatochno vysokoi energiei mogut rozhdat'sya razlichnye pary chastica - antichastica. Takie processy nachinayutsya, kogda velichina $kT$ dostigaet porogovogo znacheniya $mc^2$ dlya dannogo sorta chastic, i stanovyatsya ves'ma intensivnymi pri $kT\gg mcE^2$ . Perechislim naibolee vazhnye elementarnye chasticy, ukazyvaya v skobkah ih tradicionnye oboznacheniya, energiyu pokoya $E = mc^2$ i poryadok velichiny porogovoi temperatury: elektron i ego antichastica pozitron ( $e^\pm$ , $E$ = 0,5 MeV, $T = 6 \cdot 10^9$ K), analogichnye pary myu-mezonov ( $\mu^\pm$ , $E = 10^6$ MeV), pi-mezonov ( $\pi^\pm$ , $\pi^{0}$ , E ~ 135 MeV) s porogovoi temperaturoi poryadka 10¹² K, nakonec, yadernye chasticy proton (para $p$ , $\overline{p}$ , $E$ = 938,26 MeV) i neitron (para $n$ , $\overline{n}$ , $T$ = 939,55 MeV) s porogovoi temperaturoi 10¹³ K. Neitron nemnogo (na 1,3 MeV) tyazhelee protona, i eto vazhno dlya ery nukleosinteza.

Teper' my mozhem prosledit' evolyuciyu "nazad po vremeni" pri narastanii temperatury $T$ . Pervoe kachestvennoe izmenenie proishodit pri $T$ ~ 3000 K, kogda $kT$ dostigaet velichin poryadka 1 eV i izluchenie nachinaet razbivat' atomy. Veshestvo togda prevrashaetsya v plazmu, sostoyashuyu iz svobodnyh yader i elektronov, ee plotnost' narastaet ~ $T^3$ pri dal'neishem roste $T$ . Cherez kakoe-to vremya pri $T$ poryadka 10⁴ K takaya sreda stanovitsya uzhe neprozrachnoi dlya izlucheniya: fotony rasseivayutsya na svobodnyh elektronah i yadrah, i eto privodit k ustanovleniyu obshego teplovogo ravnovesiya mezhdu izlucheniem i veshestvom s obshei dlya vsei sistemy temperaturoi $T$ . Sleduyushii vazhnyi etap - $T$ ~ 10¹⁰ K, kogda nachinaetsya intensivnoe rozhdenie elektron-pozitronnyh par (porog $6 \cdot 10^9$ K) i processy razvala yader na ih sostavlyayushie - svobodnye neitrony i protony. Plotnost' massy v etot period dostigaet znachenii poryadka 10⁵ g/sm³. Stol' vysokaya plotnost' uvelichivaet chislo vzaimnyh stolknovenii, i eto obespechivaet ustanovlenie termodinamicheskogo ravnovesiya dlya vseh tipov prisutstvuyushih v sisteme chastic. Do poroga rozhdeniya par $p$ , $\overline{p}$ i $n$ , $\overline{n}$ eshe daleko ( $T$ _por ~ 10¹³ K), poetomu otnoshenie chisla protonov $N_p$ k chislu neitronov $N_n$ opredelyaetsya klassicheskoi formuloi Gibbsa

$N_{p}/N_{n}=\exp\left\{(m_{n}-m_{p})c^{2}/kT\right\} =\exp\left\{1,3 \textrm{MeV}/kt\right\}\,,$

(5)

chto pri $T = 10^{10}$ K daet $N_p / N_n \cong 76/24$ .

Esli by process nukleosinteza proishodil imenno v etot moment, to prakticheski vse neitrony dolzhny byli by voiti v sostav naibolee ustoichivyh yader ⁴He (dva neitrona plyus dva protona), chto privelo by k rezul'tatu $M_{H} / M_{He}$ = 52/48 dlya otnosheniya mass vodoroda i geliya. Eksperimental'noe znachenie etogo otnosheniya drugoe, a imenno 3 : 1. Eto dokazyvaet, chto process nukleosinteza real'no proishodit pozdnee pri bolee nizkih temperaturah, kogda opredelyaemyi sootnosheniem (5) balans eshe bol'she smeshaetsya v pol'zu protonov. Naprimer, pri $T = 10^9$ K iz (5) poluchim $N_{p} / N_{n}$ = 86/14, otkuda $M_{H}/M_{He}$ = 72/28, chto uzhe soglasuetsya s eksperimentom.

Dlya ob'yasneniya takoi zaderzhki nukleosinteza kak raz i trebuetsya nalichie ochen' bol'shogo chisla fotonov na odnu yadernuyu chasticu. Eto chislo ne opredelyaetsya avtomaticheski usloviyami termodinamicheskogo ravnovesiya. Ono ostaetsya neizmennym na protyazhenii rassmatrivaemogo perioda evolyucii, poskol'ku obe plotnosti chisla chastic izmenyayutsya po odnomu i tomu zhe zakonu ~ $T^{3} ~ 1/R^{3}$ (t.e. polnoe chislo chastic sohranyaetsya). Esli by fotonov (izlucheniya) ne bylo, to pri $T$ = 10¹⁰ K protony i neitrony uzhe mogli by slivat'sya v yadra ⁴He, tak kak ih energiya svyazi prevyshaet harakternuyu teplovuyu energiyu $kT\cong$ 1 MeV. Nalichie fotonov s takoi zhe energiei tormozit process nukleosinteza, poskol'ku fotony, stalkivayas' s yadrami, sposobstvuyut ih razvalu na ishodnye elementy. Etot konkuriruyushii s nukleosintezom process idet tem bystree, chem bol'she plotnost' chisla fotonov. Dlya obespecheniya zaderzhki nukleosinteza vplot' do temperatur poryadka 10⁹ K (chto nuzhno dlya ob'yasneniya eksperimental'nogo otnosheniya 3 : 1), soglasno raschetam specialistov po yadernym reakciyam, neobhodima ochen' vysokaya plotnost' chisla fotonov poryadka 10⁸ - 10¹⁰ na yadernuyu chasticu. Ona stol' velika, chto dazhe k nastoyashemu vremeni dolzhna ostavit' zametnyi sled v forme reliktovogo izlucheniya - imenno iz etih soobrazhenii ono i bylo predskazano teoretikami.

Pri dal'neishem roste $T$ nachnutsya processy rozhdeniya par bolee tyazhelyh chastic. Veshestvo Vselennoi budet togda predstavlyat' soboi nekotoryi ochen' goryachii i ochen' plotnyi "sup" iz vseh dopustimyh po energiyam chastic i antichastic, nahodyashiisya v sostoyanii teplovogo ravnovesiya. V kakoi-to moment energii stanut stol' vysoki, chto my voidem v tu oblast' fiziki elementarnyh chastic, o kotoroi malo chto poka znaem. Nakonec, pri "plankovskih energiyah", sootvetstvuyushih $T$ ~ 10³² K , gravitacionnoe vzaimodeistvie po sile sravnyaetsya s prochimi (sil'nymi, slabymi, elektromagnitnymi), i ego uzhe nel'zya budet rassmatrivat' chisto klassicheski: voznikaet problema kvantovaniya gravitacii. No vazhno, chto vse eti neopredelennosti otnosyatsya tol'ko k nachal'nomu etapu, a posle ohlazhdeniya do temperatury poryadka 10¹¹ K vse stanovitsya uzhe vpolne predskazuemym.

Nam eshe hotelos' by svyazat' shkalu temperatur so vremenem - vozrastom Vselennoi. Dlya etogo nuzhny uravneniya Fridmana dlya rasshiryayusheisya odnorodnoi i izotoropnoi Vselennoi. Ih vyvod slozhen, tak kak opiraetsya na obshuyu teoriyu otnositel'nosti Einshteina. No konechnyi rezul'tat prost i mozhet byt' sformulirovan v vide differencial'nogo uravneniya

${\dot R}^{2}-\frac{8\pi GR^{2}\rho}{3} = \mbox{~const}$

(6)

v kotorom $R$ - radius rassmatrivaemoi sfery, $\dot R=\upsilon$ - skorost' ee rasshireniya, $\rho$ - polnaya massovaya plotnost' (veshestva plyus izlucheniya) Vselennoi, $G = 6,67\cdot10^{- 8}$ sm³/(g s) - gravitacionnaya postoyannaya. Dlya veshestva $\rho\approx R^{- 3}$ , a dlya izlucheniya $\rho\approx R^{- 4}$ , poetomu na rannei stadii evolyucii ( $R\rightarrow$ 0) slagaemoe s $\rho$ v (6) vazhnee konstanty v pravoi chasti, i poslednei mozhno prenebrech'. Togda uravnenie (6) legko reshaetsya: dlya epohi izlucheniya ( $\rho$ = const $\cdot R^{-4}$ ) poluchim $R\approx t^{1/2}$ , a dlya epohi veshestva ( $\rho$ = const $\cdot R^{-3}$ ) poluchim $R\approx t^{2/3}$ . Pri uchete svyazi $R\approx 1/T$ togda imeem $t\approx T^{-2}$ v pervom sluchae i $t\approx T^{-3/2}$ vo vtorom. Eto pozvolyaet svyazat' shkalu temperatur so shkaloi vremeni, prichem dlya temperatur vyshe 10⁴ K sleduet pol'zovat'sya sootnosheniyami epohi izlucheniya, a dlya bolee nizkih temperatur - epohi veshestva.

Elementarnyi raschet togda pokazyvaet, chto "plankovskaya temperatura" $T$ = 10³² K dostigaetsya cherez 10^{- 43} sekund ot nachala mira, $T$ = 10¹³ K - cherez 10^{- 6} sekund, $T$ = 10¹⁰ K - cherez 1 sekundu, $T$ = 10⁹ K - cherez 1 minutu, $T$ = 10⁴ K (smena epoh) - cherez 100 tysyach let, $T$ = 10³ K - cherez 1 million let. Takim obrazom, pervichnyi nukleosintez zavershaetsya uzhe cherez neskol'ko minut ot "nachala mira", a formirovanie atomov - cherez million let. Posle etoi dovol'no burnoi stadii nachal'nyi etap evolyucii zavershaetsya i perehodit v rutinnyi process rasshireniya, kotoryi my i nablyudaem seichas, spustya priblizitel'no 15 milliardov let ot "nachala mira".

Privedennoe zdes' izlozhenie teorii Bol'shogo Vzryva bylo po neobhodimosti kratkim i nepolnym. Bolee podrobnuyu informaciyu mozhno naiti v knigah [1],[2].

Informaciyu o bolee pozdnih i poka chto diskussionnyh issledovaniyah v dannoi oblasti (rannyaya Vselennaya, proishozhdenie asimmetrii chastica-antichastica i dr.) mozhno naiti v stat'yah [3],[4] (za ukazanie etih ssylok avtor priznatelen recenzentu A.M. Cherepashuku), a takzhe v knigah [5],[6].

Literatura


[1].	Vainberg S. Pervye tri minuty. M.: Energoizdat, 1981.
[2].	Silk Dzh. Bol'shoi vzryv. M.: Mir, 1982.
[3].	Dolgov A.D., Zel'dovich Ya.B. Veshestvo i antiveshestvo vo Vselennoi // Priroda. 1982. No 8. S. 33 - 45.
[4].	Zel'dovich Ya.B. Sovremennaya kosmologiya// Priroda. 1983. No 9. S. 11 - 24.
[5].	Linde A.D. Fizika elementarnyh chastic i inflyacionnaya kosmologiya. M.: Nauka, 1990.
[6].	Dolgov A.D., Zel'dovich Ya.B., Sazhin M.V. Kosmologiya rannei Vselennoi. M.: Izd-vo MGU, 1988.

Mneniya chitatelei [8]

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce

$\rho = a_{1}T^{4}~$ [erg/sm³], $n = a_{2}T^3$ [fotonov/sm³],	(4)
$\overline E = a_{3}T~$ [erg],

Publikacii s klyuchevymi slovami: elementarnye chasticy - razbeganie galaktik - evolyuciya Vselennoi - pervichnyi nukleosintez - Reliktovoe izluchenie - Kosmologiya Publikacii so slovami: elementarnye chasticy - razbeganie galaktik - evolyuciya Vselennoi - pervichnyi nukleosintez - Reliktovoe izluchenie - Kosmologiya
Sm. takzhe: Dipol' reliktovogo izlucheniya: polet skvoz' Vselennuyu Razlozhenie dalekogo sveta Karta reliktovogo izlucheniya ot "Planka" Formirovanie galaktik v magnitnoi Vselennoi Gaz v skoplenii galaktik sozdaet dyru v reliktovom izluchenii "Effekty" Zel'dovicha, zapechatlennye na nashem nebe Sverhnovaya 1994D i neozhidannaya Vselennaya Vse publikacii na tu zhe temu >>