Razgadyvaya velichaishuyu v mire zagadku
9.09.2002 17:31 | Martin Ris

Razgadyvaya velichaishuyu v mire zagadku

Martin Ris

Institut astronomii, Kembridzhskii universitet

(Stat'ya opublikovana v astro-ph/0103391,
Perevod Dmitriya Cvetkova, GAISh)

Na vsem protyazhenii istorii chelovechestva voprosy o nashem sushestvovanie i nashem meste v prirode ostavalis' vechnymi zagadkami. Tol'ko v 20-m veke astronomy i kosmologi polnost'yu osoznali razmery kosmosa i ponyali fizicheskie zakony, kotorye upravlyayut im. Nasha Zemlya yavlyaetsya chast'yu processa evolyucii, nachavsheisya zadolgo do rozhdeniya nashei solnechnoi sistemy - vplot' do pervonachal'nogo sobytiya, kotoroe sozdalo nash rasshiryayushiisya kosmos primerno 12 milliardov let nazad. Takie ponyatiya, kak kvazary, chernye dyry, neitronnye zvezdy i Bol'shoi vzryv voshli v obsheupotreblyaemyi slovar', no rano poka govorit' ob ih obshem ponimanii. Fundamental'nye voprosy o nashei Vselennoi, dolgoe vremya ostavavshiesya oblast'yu predpolozhenii, teper' stanovyatsya predmetom empiricheskoi nauki.

1. Gravitaciya, Obshaya teoriya otnositel'nosti, neitronnye zvezdy i chernye dyry

Gravitaciya yavlyaetsya osnovnym predmetom mnogih iz etih voprosov. Eto - opredelyayushaya sila v kosmose. Ona uderzhivaet planety na ih orbitah, svyazyvaet zvezdy i galaktiki, opredelyaet sud'bu nashei Vselennoi. Sozdannoe Isaakom N'yutonom v 17-m veke teoreticheskoe opisanie gravitacii ostaetsya dostatochno tochnym, chtoby vychislyat' traektorii kosmicheskih korablei pri poletah k Marsu, Yupiteru i eshe dal'she. No posle 1905 g., kogda Al'bert Einshtein pokazal v special'noi teorii otnositel'nosti, chto momental'naya peredacha informacii nevozmozhna, fiziki ponyali, chto zakony N'yutona perestanut byt' adekvatnymi, kogda skorost' vyzvannogo gravitaciei dvizheniya priblizitsya k skorosti sveta. Odnako, obshaya teoriya otnositel'nosti Einshteina (opublikovannaya v 1916 g.), dostatochno posledovatel'no opisyvaet dazhe te situacii, kogda gravitaciya chrezvychaino sil'na.

Obshuyu teoriyu otnositel'nosti rassmatrivayut kak odin iz dvuh stolpov fiziki 20-go veka; vtoroi - eto kvantovaya teoriya, revolyuciya v predstavleniyah, predvoshitivshaya nashe sovremennoe ponimanie atomov i ih yader. Intellektual'nyi podvig Einshteina byl osobenno vpechatlyayushim, tak kak, v otlichie ot pionerov kvantovoi teorii, u nego ne bylo stimula v vide eksperimental'noi problemy.

Tol'ko cherez 50 let astronomy otkryli ob'ekty s dostatochno sil'nym gravitacionnym polem, v kotorom mogli proyavit'sya naibolee harakternye i yarkie osobennosti teorii Einshteina. V nachale 60-h godov byli obnaruzheny ob'ekty s ochen' bol'shoi svetimost'yu - kvazary. Kazalos', chto dlya nih neobhodim eshe bolee effektivnyi istochnik energii, chem yadernyi sintez, blagodarya kotoromu svetyat zvezdy; gravitacionnyi kollaps kazalsya naibolee privlekatel'nym ob'yasneniem. Amerikanskii teoretik Tomas Gold vyrazil vozbuzhdenie, ohvativshee togda teoretikov. V posleobedennom doklade na pervoi bol'shoi konferencii o novom ob'ekte relyativistskoi astrofiziki, kotoraya sostoyalas' v Dallase v 1963 g., on skazal: "Relyativisty s ih izoshrennymi rabotami ne tol'ko yavlyayutsya blestyashim ukrasheniem kul'tury, no oni mogut byt' polezny nauke! Vse dovol'ny: relyativisty, kotorye chuvstvuyut, chto ih trud priznan, chto oni neozhidanno stali ekspertami v oblasti, o sushestvovanii kotoroi oni i ne podozrevali; astrofiziki, kotorye rasshirili svoe pole deyatel'nosti... Vse eto ochen' priyatno, budem nadeyat'sya, chto eto pravil'no."

Nablyudeniya, ispol'zuyushie novye metody radio- i rentgenovskoi astronomii, podderzhali optimizm Golda. V 1950-h luchshie opticheskie teleskopy mira byli sosredotocheny v Soedinennyh Shtatah, v osobennosti v Kalifornii. Eto peremeshenie iz Evropy proizoshlo kak iz-za klimaticheskih, tak i iz-za finansovyh prichin. Odnako radiovolny iz kosmosa mogut prohodit' skvoz' oblaka, poetomu v Evrope i Avstralii novaya nauka - radioastronomiya - mogla razvivat'sya, ne ispytyvaya vliyaniya pogodnyh uslovii.

Nekotorye iz samyh sil'nyh istochnikov kosmicheskogo radioshuma byli identificirovany. Odnim byla Krabovidnaya tumannost' - rasshiryayushiesya ostatki vzryva sverhnovoi, kotoruyu vostochnye astronomy nablyudali v 1054 g. Drugie istochniki byli udalennymi vnegalakticheskimi ob'ektami, v kotoryh, kak my teper' ponimaem, vyrabotka energii osushestvlyalas' okolo gigantskih chernyh dyr. Eti otkrytiya byli neozhidannymi. Fizicheskie processy, otvetstvennye za izluchenie radiovoln, kotorye seichas dostatochno horosho ponyaty, ne byli predskazany.

Samym zamechtel'nym neozhidannym dostizheniem radioastronomii bylo otkrytie neitronnyh zvezd v 1967 g. Entoni H'yuishem i Dzhoselin Bell. Eti zvezdy - plotnye ostatki, ostayushiesya v centre posle nekotoryh vzryvov sverhnovyh. Oni byli otkryty kak pul'sary: oni vrashayutsya (inogda s chastotoi neskol'ko raz v sekundu) i ispuskayut moshnyi luch radiovoln, kotoryi prohodit cherez nashu liniyu zreniya odin raz za oborot. Vazhnost' neitronnyh zvezd zaklyuchaetsya v ih ekstremal'nyh fizicheskih usloviyah: kolossal'nyh plotnostyah, sil'nyh magnitnyh i gravitacionnyh polyah.

V 1969 g. ochen' bystryi (30 Gc) pul'sar byl obnaruzhen v centre Krabovidnoi tumannosti. Tshatel'nye nablyudeniya pokazali, chto chastota impul'sov postepenno umen'shaetsya. Eto bylo estestvennym, esli energiya vrasheniya zvezdy postepenno preobrazuetsya v veter iz chastic, kotorye podderzhivayut svechenie tumannosti v golubom svete. Interesno, chto chastota impul'sov pul'sara - 30 v sekundu - tak vysoka, chto glaz vidit ego kak postoyannyi istochnik. Esli by on byl takim zhe yarkim, no vrashalsya medlennee - skazhem, 10 raz v sekundu - zamechatel'nye svoistva etoi malen'koi zvezdy mogli by byt' otkryty eshe 70 let nazad. Kak izmenilos' by razvitie fiziki 20-go veka, esli by sverhplotnoe veshestvo bylo otkryto v 1920-h godah, do togo kak neitrony byli otkryty na Zemle? Hotya etogo nikto ne znaet, nesomnenno, chto vazhnost' astronomii dlya fundamental'noi fiziki byla by osoznana gorazdo ran'she.

Neitronnye zvezdy byli obnaruzheny sluchaino. Nikto ne ozhidal, chto oni budut izluchat' takie sil'nye i chetkie radioimpul'sy. Esli by teoretikov v nachale 1960-h godov sprosili, kak luchshe vsego obnaruzhit' neitronnye zvezdy, bol'shinstvo predlozhilo by iskat' rentgenovskoe izluchenie. Deistvitel'no, esli neitronnye zvezdy izluchayut stol'ko zhe energii, kak i obychnye zvezdy, s gorazdo men'shei ploshadi, oni dolzhny byt' dostatochno goryachimi, chtoby ispuskat' rentgenovskie luchi. Takim obrazom, kazalos', chto astronomy, rabotayushie v rentgenovskom diapazone, imeli luchshie vozmozhnosti otkryt' neitronnye zvezdy.

Rentgenovskie luchi ot kosmicheskih ob'ektov, odnako, pogloshayutsya v zemnoi atmosfere, i mogut nablyudat'sya tol'ko iz kosmosa. Rentgenovskaya astronomiya, kak i radioastronomiya, poluchila impul's k razvitiyu v rezul'tate ispol'zovaniya voennyh tehnologii i opyta. V etoi oblasti uchenye iz SShA zanyali lidiruyushee polozhenie, v osobennosti pokoinyi Gerbert Fridman i ego kollegi iz Voenno-morskoi issledovatel'skoi laboratorii SShA. Ih pervye rentgenovskie detektory, ustanovlennye na raketah, rabotali tol'ko po neskol'ko minut, pered tem kak upast' na zemlyu. Bol'shogo progressa rentgenovskaya astronomiya dobilas' v 1970-h godah, kogda NASA zapustilo pervyi rentgenovskii sputnik, kotoryi sobiral informaciyu v techenie neskol'kih let. Etot proekt i mnogie posledovavshie za nim pokazali, chto rentgenovskaya astronomiya otkryla vazhnoe novoe okno vo Vselennuyu.

Rentgenovskie luchi izluchayutsya neobychno goryachim gazom i osobenno moshnymi istochnikami. Poetomu na rentgenovskoi karte neba vydelyayutsya samye goryachie i samye moshnye ob'ekty v kosmose. Sredi nih - neitronnye zvezdy, v kotoryh massa, po krainei mere ne men'shaya massy Solnca, sosredotochena v ob'eme s diametrom nemnogim bol'she 10 kilometrov. Sila tyagoteniya na nih tak sil'na, chto relyativistskie popravki dohodyat do 30%.

V nastoyashee vremya predpolagaetsya, chto nekotorye ostatki zvezd pri kollapse mogut prevzoiti plotnost' neitronnyh zvezd i prevratit'sya v chernye dyry, kotorye iskazhayut vremya i prostranstvo eshe bol'she, chem neitronnye zvezdy. Astronavt, kotoryi otvazhitsya popast' vnutr' gorizonta chernoi dyry, ne smozhet peredat' svetovye signaly v okruzhayushii mir - kak budto samo prostranstvo zasasyvaetsya vnutr' bystree, chem svet dvizhetsya cherez nego. Vneshnii nablyudatel' nikogda ne uznaet okonchatel'nuyu uchast' astronavta. Emu budet kazat'sya, chto lyubye chasy, padaya vnutr', budut idti vse medlennee i medlennee. Tak i astronavt budet kak by prigvozdzhen k gorizontu, ostanovivshis' vo vremeni.

Rossiiskie teoretiki Yakov Zel'dovich i Igor' Novikov, issledovavshie, kak iskazhaetsya vremya okolo skollapsirovavshih ob'ektov, predlozhili v nachale 1960-h termin "zamerzshie zvezdy". Termin "chernaya dyra" byl vveden v upotreblenie v 1968 g., kogda Dzhon Uiler opisal, kak "svet i chasticy, padayushie snaruzhi... padayut na chernuyu dyru, tol'ko uvelichivaya ee massu i gravitacionnoe prityazhenie".

Chernye dyry, kotorye yavlyayutsya final'nym evolyucionnym sostoyaniem zvezd, imeyut radiusy ot 10 do 50 kilometrov. No seichas sushestvuyut ubeditel'nye svidetel'stva togo, chto chernye dyry s massami v milliony ili dazhe milliardy mass Solnca, sushestvuyut v centrah bol'shinstva galaktik. Nekotorye iz nih proyavlyayut sebya kak kvazary - sgustki energii, kotorye svetyat yarche vseh zvezd galaktik, v kotoryh oni nahodyatsya, ili kak moshnye istochniki kosmicheskogo radioizlucheniya. Drugie, vklyuchaya chernuyu dyru v centre nashei Galaktiki, ne proyavlyayut takoi aktivnosti, no vliyayut na orbity zvezd, podhodyashih blizko k nim.

Chernye dyry, esli smotret' na nih izvne, yavlyayutsya standartizirovannymi ob'ektami: ne sushestvuet priznakov, po kotorym mozhno bylo by opredelit', kak obrazovalas' opredelennaya chernaya dyra ili kakie ob'ekty poglosheny ei. V 1963 g. novozelandec Roi Kerr obnaruzhil reshenie uravnenii Einshteina, kotorye opisyvali skollapsirovavshii vrashayushiisya ob'ekt. "Reshenie Kerra" priobrelo ochen' vazhnoe znachenie, kogda teoretiki ponyali, chto ono opisyvaet prostranstvo-vremya okolo lyuboi chernoi dyry. Kollapsiruyushii ob'ekt bystro prihodit v standartizirovannoe sostoyanie, harakterizuemoe vsego dvumya chislami, izmeryayushimi ego massu i spin. Rodzher Penrouz, specialist v matematicheskoi fizike, kotoryi, vozmozhno, sdelal bol'she vseh dlya vozrozhdeniya teorii otnositel'nosti v 1960-h, zametil: "Est' kakaya-to ironiya v tom, chto dlya samogo strannogo i naimenee znakomogo astrofizicheskogo ob'ekta - chernoi dyry - nasha teoreticheskaya kartina naibolee polna".

Obnaruzhenie chernyh dyr prolozhilo put' k proverke samyh zamechatel'nyh sledstvii teorii Einshteina. Izluchenie takih ob'ektov obuslovleno v osnovnom goryachim gazom, padayushim po spirali v "gravitacionnuyu yamu". Ono pokazyvaet sil'nyi effekt Doplera, a takzhe imeet dopolnitel'noe krasnoe smeshenie iz-za sil'nogo gravitacionnogo polya. Spektroskopicheskoe issledovanie etogo izlucheniya, v osobennosti rentgenovskogo, pozvolit prozondirovat' potok ochen' blizko k chernoi dyre i opredelit', soglasuetsya li forma prostranstva s predskazaniyami teorii.

2. Rasshiryayushayasya Vselennaya

V nashem Mlechnom Puti nahoditsya okolo 100 milliardov zvezd, v osnovnom v diske, vrashayushemsya vokrug central'nogo sgusheniya. Do 1920-h godov o bolee udalennyh chastyah Vselennoi nichego ne bylo izvestno, no seichas my znaem, chto nasha Galaktika - odna iz milliardov podobnyh ei.

Bol'shinstvo galaktik nahoditsya v gruppah i skopleniyah, kotorye svyazany silami gravitacii. Nasha Mestnaya Gruppa, imeyushaya v poperechnike neskol'ko millionov svetovyh let, vklyuchaet Mlechnyi Put' i Tumannost' Andromedy, a takzhe 34 men'shie galaktiki. Eta gruppa raspolozhena okolo kraya skopleniya v Deve - arhipelaga iz neskol'kih soten galaktik, centr kotorogo nahoditsya na rasstoyanii 50 millionov svetovyh let. Skopleniya i gruppy ob'edinyayutsya v eshe bol'shie struktury. Tak nazyvaemaya Velikaya Stena - imeyushee formu lista mnozhestvo galaktik na rasstoyanii okolo 200 millionov svetovyh let - eto blizhaishee i naibolee vydelyayusheesya iz etih gigantskih obrazovanii.

Vozmozhno, naibolee vazhnyi shiroko izvestnyi fakt o nashei Vselennoi - eto to, chto vse galaktiki (krome neskol'kih blizkih galaktik Mestnoi Gruppy) udalyayutsya ot nas. Bolee togo, krasnoe smeshenie - mera skorosti udaleniya - bol'she dlya slabyh, dalekih galaktik. My zhivem v rasshiryayusheisya Vselennoi, gde s techeniem vremeni skopleniya galaktik vse dal'she udalyayutsya drug ot druga, stanovyas' vse bolee redkimi v prostranstve.

Prostoe sootnoshenie mezhdu krasnym smesheniem i rasstoyaniem nazvano v chest' Edvina Habbla, kotoryi pervym ustanovil etot zakon v 1929 g. Habbl mog izuchat' tol'ko otnositel'no blizkie galaktiki, skorost' udaleniya kotoryh byla men'she 1% skorosti sveta. Blagodarya tehnicheskomu progressu i bol'shim teleskopam, v nastoyashee vremya takie dannye polucheny dlya galaktik, skorost' kotoryh sostavlyaet znachitel'nuyu dolyu skorosti sveta. Konceptual'no predpochtitel'no ob'yasnyat' krasnoe smeshenie "rastyazheniem" prostranstva, kogda svet prohodit cherez nego. Velichina krasnogo smesheniya - drugimi slovami, velichina rastyazheniya svetovyh voln - govorit nam, naskol'ko rasshirilas' Vselennaya, poka svet doshel do nas.

Modeli rasshiryayusheisya odnorodnoi Vselennoi, nekotorye iz kotoryh byli osnovany na obshei teorii otnositel'nosti Einshteina, byli razrabotany v 1920-h i 30-h godah. No v to vremya bylo malo kolichestvennyh svedenii o tom, naskol'ko v deistvitel'nosti odnorodna nasha Vselennaya. Eshe men'she byla vozmozhnost' vybora mezhdu al'ternativnymi modelyami.

V nastoyashee vremya astronomy nablyudayut mnogo skoplenii, podobnyh skopleniyu v Deve, i mnogo struktur, pohozhih na Velikuyu Stenu. No bolee glubokie obzory, po-vidimomu, ne obnaruzhivayut bolee krupnyh struktur. V kub so storonoi 200 millionov svetovyh let (eto rasstoyanie vse eshe malo po sravneniyu s gorizontom nashih nablyudenii, do kotorogo okolo 10 milliardov svetovyh let) pomestyatsya samye bol'shie strukturnye obrazovaniya. Takoi kub, v kakom by meste Vselennoi ego ne pomestit', budet soderzhat' primerno odinakovoe kolichestvo galaktik, statisticheski shodnym obrazom sgruppirovannyh v skopleniya, struktury tipa volokon i drugie obrazovaniya.

Dazhe samye bol'shie nablyudaemye kosmicheskie struktury maly po sravneniyu s rasstoyaniem, dostizhimym dlya nashih teleskopov. Eto sozdaet vozmozhnosti dlya kosmologicheskih issledovanii, pozvolyaya nam opredelyat' srednie svoistva nashei Vselennoi i ispol'zovat' prostye odnorodnye modeli kak razumnye priblizheniya.

V 1950-h godah Allen Sendidzh byl edinstvennym, kto utverzhdal, chto 5-metrovyi Palomarskii teleskop mozhet issledovat' dostatochno dalekii kosmos i, sledovatel'no, dostatochno otdalennoe proshloe, chtoby proverit' kosmologicheskie modeli. Chtoby obnaruzhit' izmeneniya skorosti rasshireniya ili evolyuciyu naseleniya galaktik, neobhodimo nablyudat' ob'ekty, nahodyashiesya tak daleko, chto svet ot nih idet do nas milliardy let.

Za poslednie 40 let sozdanie bolee sovershennyh, obladayushih bol'shimi vozmozhnostyami teleskopov i nablyudatel'noi apparatury sdelali eto vozmozhnym. Bolee dyuzhiny teleskopov s 4-h metrovymi zerkalami byli postroeny v 1970-h i 80-h godah. Zamena fotograficheskih plastinok, kvantovaya effektivnost' kotoryh ne prevoshodila 1%, na tverdotel'nye detektory s effektivnost'yu do 80% namnogo uvelichila vozmozhnosti obnaruzheniya slabyh i dalekih ob'ektov. Novoe pokolenie eshe bol'shih teleskopov (pervye iz nih - dva teleskopa Keka na Gavaiyah) seichas vstupaet v stroi. Vozmozhno, samyi vpechatlyayushii iz nih - eto Ochen' Bol'shoi teleskop (nazvannyi bez osobogo voobrazheniya) - gruppa iz chetyreh teleskopov, kazhdyi s zerkalom diametrom 8.2 metra, sooruzhennyi v Chiliiskih Andah konsorciumom evropeiskih stran. Etot instrument ne tol'ko sobiraet bol'she sveta, chem vse predshestvovavshie teleskopy, no takzhe dolzhen davat' bolee chetkie izobrazheniya, kompensiruya atmosfernye fluktuacii i svyazyvaya teleskopy vmeste, chtoby oni rabotali kak interferometr.

Znachitel'nyi progress dostignut v nablyudeniyah iz kosmosa. Kosmicheskii teleskop im.Habbla, kotoryi v nachale presledovali otsrochki, defekty i pererashod sredstv, vse zhe opravdal nadezhdy, kotorye na nego vozlagali astronomy. Izobrazheniya Habblovskogo polya glubokogo obzora - poluchennye nepreryvnym slezheniem za malen'kim klochkom neba v techenie neskol'kih sutok - pokazyvayut bukval'no sotni slabyh pyatnyshek, nesmotrya na to chto pole zreniya nastol'ko malo, chto pokryvaet na nebe men'she 1/100 ploshadi polnoi Luny. Kazhdoe pyatnyshko - eto celaya galaktika, razmerom v tysyachi svetovyh let, kotorye vyglyadyat takimi slabymi i malen'kimi na ogromnom rasstoyanii. My nablyudaem eti dalekie galaktiki na ochen' primitivnoi stadii evolyucii. U nih eshe ochen' prostoi himicheskii sostav: ochen' malo kisloroda, ugleroda i drugih elementov, iz kotoryh sostoyat planety, a znachit ochen' maly shansy vozniknoveniya zhizni.

Teper' u nas est' izobrazheniya, kotorye perenosyat nas na milliardy let nazad vo vremeni, v epohu, kogda formirovalis' pervye galaktiki. Vozmozhno, chto pervye zvezdy obrazovalis' eshe ran'she, v strukturah, men'shih chem sushestvuyushie seichas galaktiki, kotorye ne mogut obnaruzhit' dazhe samye bol'shie v nastoyashee vremya teleskopy.

3. "Iskopaemye" goryachego nachala

Kak naschet eshe bolee otdalennoi epohi, pered tem kak obrazovalis' pervye zvezdy? V konce 1920-h bel'giiskii svyashennik Zhorzh Lemetr, obuchavshiisya v Massachusetskom Tehnologicheskom institute, i Aleksandr Fridman v Rossii byli pionerami idei, chto vse nachalos' v plotnom sostoyanii i struktura razvivalas' po mere rasshireniya. Lemetr pisal: "Evolyuciya Vselennoi mozhet byt' pohozha na pokaz feierverka, kotoryi tol'ko chto zakonchilsya: eshe neskol'ko ogon'kov, pepel i dym. Stoya na horosho ostyvshei zole, my vidim ugasanie solnc i pytaemsya ozhivit' ischeznuvshii blesk nachala mirov".

Etot "ischeznuvshii blesk" byl obnaruzhen v 1965 g. Arno Penzias i Robert Vil'son, dva uchenyh iz Telefonnyh laboratorii Bella, starayas' umen'shit' shum antenny v Holmdele, N'yu-Dzhersi, sluchaino obnaruzhili, chto vse prostranstvo nemnogo podogreto mikrovolnami, ne imeyushimi vidimogo istochnika.

V 1990 g. Dzhon Mezer i ego kollegi, ispol'zuya sputnik NASA Issledovatel' kosmicheskogo fona (SOVE) pokazali, chto spektr mikrovolnovogo fona sootvetstvuet zakonu izlucheniya chernogo tela s tochnost'yu 0.01%, chto i sledovalo ozhidat', esli on deistvitel'no byl ostatkom stadii "ognennogo shara", kogda vse veshestvo v nashei Vselennoi bylo szhatym, ochen' goryachim, plotnym i neprozrachnym. Kosmicheskoe rasshirenie dolzhno bylo ohladit' pervonachal'noe izluchenie, umen'shit' ego plotnost' i izmenit' dliny voln, no ono vse ravno dolzhno ostat'sya, zapolnyaya vse prostranstvo.

Temperatura fona v nastoyashee vremya - tol'ko 2.728 gradusa vyshe absolyutnogo nulya, no on soderzhit udivitel'no bol'shoe kolichestvo tepla: 412 millionov kvantov izlucheniya (fotonov) v kazhdom kubicheskom metre sovremennoi Vselennoi. Dlya sravneniya, esli veshestvo vseh nablyudaemyh zvezd i vsego gaza vo Vselennoi ravnomerno raspredelit' v prostranstve, to ego plotnost' okazhetsya vsego 0.2 atoma v kubicheskom metre - bolee chem v milliard raz men'she, chem plotnost' fotonov.

Soglasno teorii Bol'shogo vzryva, vse veshestvo dolzhno bylo byt' szhatym i nagretym sil'nee, chem v centrah zvezd - navernyaka dostatochno goryacho dlya yadernyh reakcii. Samye vazhnye iz etih reakcii proishodyat pri temperature primerno v milliard gradusov. Odnako, Vselennaya ostyla nizhe etoi temperatury za tri minuty, i (k schast'yu dlya nas) etogo vremeni ne hvatilo na to, chtoby prevratit' pervonachal'noe veshestvo v zhelezo, kak eto proishodit v samyh goryachih zvezdah, i dazhe v uglerod, kislorod i t.d.

Eto protivorechilo predpolozheniyu Georgiya Gamova, chto vsya Periodicheskaya tablica byla "svarena" v rannei Vselennoi. V 1950-h godah Fred Hoil, Uil'yam Fauler, Dzheffri i Margaret Berbidzhi i, nezavisimo, Alister Kameron razvivali al'ternativnuyu shemu, kotoraya kolichestvenno ob'yasnila pochti vsyu Periodicheskuyu tablicu kak rezul'tat yadernogo sinteza v zvezdah i sverhnovyh. Posle pozdnih usovershenstvovanii etoi modeli rasschitannaya smes' atomov udovletvoritel'no sovpadaet s nablyudaemymi proporciyami.

Samye starye zvezdy, kotorye obrazovalis' iz gaza na rannei stadii istorii galaktik, kogda on byl menee "zagryaznen", deistvitel'no pokazyvayut deficit tyazhelyh elementov, kak i predskazyvaet teoriya zvezdnogo nukleosinteza. Odnako, dazhe v samyh staryh ob'ektah soderzhitsya ot 23% do 24% geliya: ne obnaruzheno zvezdy, galaktiki ili tumannosti, gde soderzhanie geliya bylo by men'she etogo znacheniya. Kazhetsya, chto galaktiki nachali obrazovyvat'sya ne iz chistogo vodoroda, a iz smesi vodoroda i geliya.

Teoriya "Goryachego Bol'shogo vzryva" udachno reshaet etu problemu. Reakcii na goryachei rannei stadii mogut prevratit' primerno 23% vodoroda v gelii, no Vselennaya ostyvala tak bystro, chto ne hvatilo vremeni na sintez bolee tyazhelyh elementov Periodicheskoi sistemy (za isklyucheniem nebol'shogo kolichestva litiya). Ob'yasnenie proishozhdeniya bol'shei chasti kosmicheskogo geliya Bol'shim vzryvom takim obrazom reshilo dolgo stoyavshuyu problemu - pochemu ego tak mnogo, i pochemu ego obilie tak odnorodno. Eto pobudilo kosmologov ser'ezno otnosit'sya k pervym sekundam kosmicheskoi istorii.

Drugoi produkt Bol'shogo vzryva - eto deiterii (tyazhelyi vodorod). Obilie deiteriya po otnosheniyu k vodorodu do nedavnego vremeni bylo ploho izvestno. Odnako eto otnoshenie teper' izmereno na Yupitere, v mezhzvezdnom gaze i v dalekih mezhgalakticheskih oblakah, i ego znachenie - okolo 1/50000. Proishozhdenie dazhe etogo nebol'shogo kolichestva predstavlyaet soboi problemu, tak kak deiterii v zvezdah skoree unichtozhaetsya, chem obrazuetsya. Kak yadernoe toplivo, ego legche podzhech', chem obychnyi vodorod, poetomu tol'ko chto obrazovavshiesya zvezdy szhigayut deiterii vo vremya svoego nachal'nogo szhatiya, do perehoda k prodolzhitel'noi stadii goreniya vodoroda.

Esli my primem srednyuyu plotnost' Vselennoi v nastoyashee vremya - 0.2 atoma na kubicheskii metr i vychislim, kakaya smes' atomov dolzhna obrazovat'sya iz ostyvayushego ognennogo shara, my obnaruzhim, chto proporcii vodoroda, deiteriya i geliya (i, v kachestve bonusa, takzhe i litiya) soglasuyutsya s dannymi nablyudenii. Eto ochen' obnadezhivaet, potomu chto nablyudaemye obiliya mogli sovershenno ne sovpadat' s predskazaniyami lyuboi teorii Bol'shogo vzryva; ili zhe oni mogli sovpadat', no tol'ko dlya plotnosti, kotoraya byla by namnogo bol'she ili men'she predelov, dopustimyh