1. Vvedenie

Kosmologiya – eto nauka o Vselennoi v celom, i takim obrazom, predmetom chastnoi nauki kosmologii yavlyaetsya vsya Vselennaya. Kosmologiya rassmatrivaet naibolee obshie zakonomernosti razvitiya, naibolee obshie epohi v istorii Vselennoi. Obshii vozrast nashei Vselennoi ocenivaetsya v ~15-20 mlrd let. Termin "rannyaya Vselennaya" rodilsya sravnitel'no nedavno i kak vsyakii novorozhdennyi termin yavlyaetsya neustoyavshimsya. Razlichnye specialisty imenuyut etim terminom raznye epohi razvitiya nashei Vselennoi. Tak, eshe 15-20 let nazad, govorya o rannei Vselennoi, kosmologi imeli v vidu epohu, sootvetstvuyushuyu vozrastu ot ~300 tysyach let do 1 mlrd let ot nachala ee istorii. Seichas, kogda govoryat o rannei Vselennoi, obychno podrazumevayut epohu, sootvetstvuyushuyu vozrastu ot ~10^-43 sekundy do 3 minut ot nachala istorii. Eto naibolee interesnaya chast' istorii Vselennoi. V etot period evolyucii Vselennoi sformirovalis' mnogie ee svoistva, kotorye seichas proyavlyayutsya v vide habblovskogo rasshireniya, krupnomasshtabnoi struktury Vselennoi i dazhe v vide fizicheskih zakonov, deistvuyushih v nashei chasti Vselennoi. Kratkomu opisaniyu osnovnyh etapov v razvitii nashei Vselennoi posvyashena eta stat'ya.

Epohi vo vremya evolyucii Vselennoi mozhno harakterizovat' ukazaniem vremeni etoi epohi otnositel'no momenta Bol'shogo Vzryva, odnako bolee udobno harakterizovat' ih sootvetstvuyushim znacheniem krasnogo smesheniya z – tak v astronomii nazyvayut smeshenie linii v spektrah dalekih galaktik (pri udalenii ob'ekta ot nablyudatelya ego spektral'nye linii smesheny v krasnoe krylo spektra otnositel'no laboratornoi sistemy otscheta). Chtoby ponyat' fizicheskii smysl krasnogo smesheniya, predpolozhim, chto impul's izlucheniya (foton) prohodit mimo posledovatel'nogo ryada nablyudatelei, kazhdyi iz kotoryh sootvetstvuet opredelennomu etapu sostoyaniya veshestva v rasshiryayusheisya Vselennoi. Skorost' fotona postoyanna, no iz-za effekta Doplera chastota izlucheniya fotona dlya kazhdogo iz nablyudatelei umen'shaetsya so vremenem. Esli λ _n i λ _i – dliny rasprostranyayusheisya volny v meste nablyudeniya i meste izlucheniya sootvetstvenno, to smeshenie spektral'nyh linii ne slishkom dalekoi (v kosmologicheskom smysle) galaktiki opredelyaetsya ravenstvom 1+z =λ _n/λ _i. Takovo istoricheskoe opredelenie ponyatiya krasnogo smesheniya. Tochnoe opredelenie krasnogo smesheniya cherez geometricheskie harakteristiki Vselennoi – eto 1+z =a _n/a _i , gde a _n i a _i – znacheniya masshtabnogo faktora (sm. nizhe) sootvetstvenno v moment nablyudeniya i v moment izlucheniya. Znachenie krasnogo smesheniya dlya rassmatrivaemyh zdes' epoh menyaetsya ot ~10³² do ~10⁸. Osnovnye epohi rannei Vselennoi privedeny v tabl. 1.

2. Rozhdenie Vselennoi

Moment rozhdeniya Vselennoi – eto epoha rozhdeniya klassicheskogo prostranstva-vremeni. Obshepriznannoi v nastoyashee vremya schitaetsya teoriya Bol'shogo Vzryva, to est' rozhdenie Vselennoi iz singulyarnosti (inogda govoryat, iz prostranstvenno-vremennoi peny). V moment rozhdeniya Vselennoi plotnost' ρ i temperatura T veshestva dostigali plankovskih znachenii: ρ_pl≈10⁹³ g/sm³, T_pl=1,3·10³² K.

Velikii nemeckii fizik Maks Plank v konce proshlogo veka vvel novuyu konstantu, kotoraya teper' nosit nazvanie postoyannoi Planka ħ. Ona yavlyaetsya osnovnoi konstantoi v kvantovoi teorii. Vskore posle svoei znamenitoi raboty, gde vpervye bylo vvedeno ponyatie kvanta deistviya, Plank obosnoval vvedenie v fiziku novoi sistemy edinic, kotoraya seichas nosit nazvanie estestvennoi sistemy edinic. Pol'zuyas' tremya fundamental'nymi fizicheskimi konstantami – skorost'yu sveta c, postoyannoi gravitacii G i postoyannoi Planka ħ – on sformiroval osnovnye razmernye velichiny fiziki: edinicu dliny l_pl=[ħG/c³]^1/2, vremeni t_pl=[ħG/c⁵]^1/2 i massy m_pl=[ħc/G]^1/2. Iz etih edinic udobno obrazovat' dve novye edinicy izmereniya – plankovskuyu plotnost', opredelyaya ρ_pl=m_pl /l_pl³ , i temperaturu kT_pl=m_plc² (k – postoyannaya Bol'cmana, svyazyvayushaya temperaturu tela s kineticheskoi energiei sostavlyayushih ego chastic). Sleduet otmetit', chto opredelenie plankovskoi dliny l_pl=[ħG/c³]^1/2 sovpadaet s ekvivalentnym opredeleniem takoi edinicy, kak komptonovskaya dlina volny l_pl=ħ/(m_plc) dlya chasticy s massoi m_pl. Podrobnoe obsuzhdenie sistem edinic v sovremennoi fizike i metodicheskoe znachenie pravil'no vybrannoi sistemy edinic soderzhitsya v stat'e L.B. Okunya "Fundamental'nye konstanty prirody" v etom tome.

S momenta Bol'shogo Vzryva Vselennaya nepreryvno rasshiryaetsya, temperatura veshestva ponizhaetsya, a ob'em rastet. Pri opisanii rozhdeniya Vselennoi ispol'zuyutsya samye obshie idei o kvantovoi evolyucii Vselennoi kak celogo. Odno iz nih utverzhdaet, chto polnaya massa zamknutoi Vselennoi ravna nulyu. Eto oznachaet, chto vsya Vselennaya mozhet rodit'sya bez zatrat energii, to est' iz nichego. Veroyatnost' rozhdeniya Vselennoi s radiusom krivizny H ^-1 opredelyaetsya kak

Process rasshireniya Vselennoi prinyato opisyvat' s pomosh'yu masshtabnogo faktora a(t), kotoryi harakterizuet izmenenie so vremenem rasstoyanii mezhdu kosmologicheskimi ob'ektami.

Ris. 1. Evolyuciya masshtabnogo faktora so vremenem. Volnistoi liniei pokazana oblast' kvantovoi evolyucii Vselennoi, sploshnoi liniei – oblast' kvaziklassicheskoi evolyucii i vyhod na inflyacionnuyu stadiyu

Na ris. 1 shematicheski predstavlena zavisimost' masshtabnogo faktora a ot vremeni t . Sleva ot osi ordinat (pri t<0) nahoditsya klassicheski zapreshennaya oblast', masshtabnyi faktor v etoi oblasti ispytyvaet sil'nye fluktuacii prostranstva-vremeni. Etu oblast' uslovno nazvali "nichto". Zdes' klassicheskoe prostranstvo-vremya ne sushestvuet, analogichno tomu kak ne sushestvuet klassicheskoi traektorii obychnoi yadernoi α-chasticy vo vremya tunnel'nogo perehoda.

3. Rasshiryayushayasya Vselennaya

Posle rozhdeniya Vselennoi iz "nichego" mozhno pol'zovat'sya nekvantovymi uravneniyami obshei teorii otnositel'nosti (OTO) dlya opisaniya evolyucii masshtabnogo faktora. Uravneniya OTO odnoznachno predskazyvayut zakon rasshireniya Vselennoi, esli izvestny plotnost' energii αc² i davlenie p veshestva (v odnorodnoi i izotropnoi modeli). Plotnost' energii chasto vyrazhayut s pomosh'yu parametra Ω=ρ/ρ_kr, a davlenie – cherez uravnenie sostoyaniya p(ρ). Zdes' ρ_kr – kriticheskaya plotnost' Vselennoi, vyrazhaemaya cherez parametr Habbla H: ρ_kr=3H ²/(8πG).

V obshei teorii otnositel'nosti osnovnoi funkciei yavlyaetsya metrika ili prostranstvenno-vremennoi interval mezhdu dvumya sobytiyami. V kosmologii zhe osnovnoi funkciei yavlyaetsya masshtabnyi faktor a(t), kotoryi opredelyaet takzhe i metriku prostranstva-vremeni i imeet razmernost' dliny. Funkciya a(t) opredelyaetsya iz sovmestnogo resheniya uravnenii Fridmana i uravneniya sostoyaniya veshestva vo Vselennoi (to est' zavisimost'yu davleniya veshestva ot plotnosti).

Fizicheskii smysl uravnenii Fridmana yasen iz sleduyushego primera. Esli myslenno v odnorodnoi i izotropnoi rasshiryayusheisya Vselennoi opisat' okruzhnost' radiusa a vokrug nekotoroi tochki, to pervoe uravnenie Fridmana predstavlyaet soboi uravnenie sohraneniya energii pri rasshirenii etoi elementarnoi sfery. Udel'naya kineticheskaya energiya takoi sfery

Zakon rasshireniya Vselennoi zavisit takzhe ot uravneniya sostoyaniya veshestva.

V kosmologii razlichayut tri osnovnyh uravneniya sostoyaniya. Eto pylepodobnoe uravnenie sostoyaniya (p=0), radiacionno-dominirovannoe uravnenie sostoyaniya ( p=ρc²/3) i uravnenie sostoyaniya fal'shivogo vakuuma ( p=-ρc²), ili inflyacionnoe. Dlya sovremennoi Vselennoi, kotoruyu opisyvayut pylepodobnym uravneniem sostoyaniya, zavisimost' masshtabnogo faktora ot vremeni imeet vid a(t)∝t^2/3. V rannei Vselennoi dlya masshtabnogo faktora harakterno drugoe povedenie. Cherez 10^-42 sekundy posle rozhdeniya klassicheskogo prostranstva-vremeni vo Vselennoi nachinaetsya inflyacionnaya stadiya. Ona harakterizuetsya predel'no sil'nym otricatel'nym davleniem p=-ρc² (sostoyanie fal'shivogo vakuuma), pri kotorom menyayutsya sami zakony obychnoi gravitacionnoi fiziki. Veshestvo v etom sostoyanii ne istochnik prityazheniya, a istochnik ottalkivaniya.

Otricatel'noe davlenie imeet prostoi fizicheskii smysl – eto sily natyazheniya. Esli obychnoe polozhitel'noe davlenie prepyatstvuet szhatiyu veshestva, to otricatel'noe davlenie prepyatstvuet rastyazheniyu veshestva. Tem ne menee v laboratornyh usloviyah takoe uravnenie sostoyaniya ne vstrechaetsya: pri takom uravnenii razvivaetsya ochen' bol'shoe (relyativistskoe) otricatel'noe davlenie, kotoroe deistvuet nezavisimo ot napravleniya (paskalevo davlenie). Natyazheniya v obychnom tverdom tele (naprimer, v rezine) yavlyayutsya nepaskalevymi, oni voznikayut tol'ko v odnom napravlenii. V sluchae uravneniya sostoyaniya p=-ρc² plotnost' ne zavisit ot vremeni i masshtabnogo faktora, to est' vo vremya inflyacionnoi stadii pri rasshirenii Vselennoi plotnost' sredy ne menyaetsya, ρ=const. V obychnoi fizike tol'ko u vakuuma plotnost' ne menyaetsya pri rasshirenii, poetomu takoe sostoyanie inogda nazyvayut sostoyaniem fal'shivogo vakuuma.

Pri podstanovke v uravnenie massy vybrannoi probnoi sfery otricatel'nogo davleniya fal'shivogo vakuuma p=-ρc² poluchaetsya otricatel'naya massa. Eto oznachaet, chto prityazhenie, imeyushee mesto pri obychnyh uravneniyah sostoyaniya (p=0, p=ρc²/3), menyaetsya na ottalkivanie. Uravnenie evolyucii masshtabnogo faktora prinimaet vid

Pust' dve chasticy nahodyatsya na rasstoyanii r drug ot druga v nachale inflyacionnoi stadii t=t_i. Rasstoyanie mezhdu nimi izmenyaetsya soglasno vyrazheniyu

Neobhodimo chetko predstavlyat' raznicu mezhdu prichinoi vzryva v bombe i Bol'shim Vzryvom vo Vselennoi. V bombe sila, otvetstvennaya za razlet chastic, vyzvana gradientom davleniya vnutri vzryvchatogo veshestva. Vo Vselennoi s uravneniem sostoyaniya p=-ρc² veshestvo raspredeleno odnorodno i gradientov davleniya net. Iz-za bol'shoi velichiny otricatel'nogo davleniya menyaetsya znak istochnika gravitacionnogo polya ρc²+3p i voznikaet effektivnaya antigravitaciya, to est' razletanie veshestva. Takim obrazom, tolchkom k rasshireniyu mira, k formirovaniyu habblovskogo zakona rasshireniya, k ustanovleniyu prichinnoi svyazi vo Vselennoi na bol'shih rasstoyaniyah, a takzhe k vyravnivaniyu kineticheskoi energii rasshireniya i potencial'noi energii polya posluzhila effektivnaya antigravitaciya, vyzvannaya otricatel'nym davleniem, kotoroe, kak polagayut, sushestvovalo v rannei Vselennoi.

Vo vremya stadii inflyacii imel mesto eshe odin vazhnyi process: eto rozhdenie iz vakuumnyh kvantovyh fluktuacii skalyarnogo polya malyh vozmushenii plotnosti, a iz kvantovyh fluktuacii metriki – gravitacionnyh voln. Materiya s uravneniem sostoyaniya p=-ρc² yavlyaetsya neustoichivoi otnositel'no malyh vozmushenii. Kvadrat skorosti zvuka v takom veshestve – velichina otricatel'naya, poetomu evolyuciya malogo vozmusheniya, opisyvaemaya eksponentoi s mnimym dekrementom, okazyvaetsya eksponencial'no rastushei ili eksponencial'no zatuhayushei velichinoi. Eksponencial'nyi rost vozmusheniya razrushaet veshestvo s otricatel'nym davleniem i prekrashaet inflyaciyu. Odnako poskol'ku v raznyh mestah prostranstva zatravochnye vozmusheniya imeli raznuyu amplitudu i, sledovatel'no, rosli raznoe vremya do kriticheskogo znacheniya, to i inflyaciya v raznyh mestah prostranstva prekrashaetsya v raznoe vremya. Perehod ot stadii rasshireniya, kogda masshtabnyi faktor menyaetsya po eksponencial'nomu zakonu (epoha inflyacii), na fridmanovskuyu stadiyu rasshireniya, kogda masshtabnyi faktor menyaetsya po stepennomu zakonu, proishodit neodnovremenno. Eto vyzyvaet fluktuacii metriki vida h~Hδt(r), gde δt(r) – zapazdyvanie, zavisyashee ot tochki prostranstva, a H – parametr Habbla v epohu inflyacii.

Vakuumnye kvantovye fluktuacii, kotorye obychno proyavlyayutsya tol'ko v mikroskopicheskih masshtabah, v eksponencial'no rasshiryayusheisya Vselennoi bystro uvelichivayut svoyu dlinu i amplitudu i stanovyatsya kosmologicheski znachimymi. Takim obrazom, voznikshie vposledstvii skopleniya galaktik i sami galaktiki yavlyayutsya makroskopicheskimi proyavleniyami kvantovyh fluktuacii na rannih etapah razvitiya Vselennoi.

Spektr pervichnyh vozmushenii metriki mozhno postroit', issleduya anizotropiyu reliktovogo izlucheniya. Fotony, dvigayas' v peremennom gravitacionnom pole, izmenyayut svoyu chastotu i, sledovatel'no, temperaturu. Poetomu temperatura reliktovogo izlucheniya razlichna v raznyh napravleniyah na nebe. Uglovoi spektr temperaturnyh fluktuacii reliktovogo izlucheniya odnoznachno svyazan so spektrom vozmushenii gravitacionnogo polya. Po nablyudeniyam anizotropii reliktovogo izlucheniya mozhno vosstanovit' spektr pervichnyh vozmushenii. Po spektru pervichnyh vozmushenii veshestva i spektru gravitacionnyh voln mozhno vosstanovit' zakony fiziki na stadii inflyacii, to est' v oblasti energii 10¹⁶ GeV. Seichas, v rezul'tate kosmicheskih eksperimentov RELIKT i COBE (COsmic Background Explorer) i nazemnyh eksperimentov TENERIFE, SASKATOON i SAT, uglovoi spektr anizotropii reliktovogo izlucheniya izmeren v intervale uglov ot 90° do 30′. Na ris. 2 privedeny teoreticheskie spektry uglovyh fluktuacii reliktovogo izlucheniya, sformirovannye skalyarnymi vozmusheniyami (to est' fluktuaciyami plotnosti) i gravitacionnymi volnami. Izmerennye znacheniya blizki k vychislennym, chto podtverzhdaet spravedlivost' teoreticheskih postroenii.

Ris. 2. Raspredelenie po energiyam uglovogo spektra moshnosti Cl anizotropii reliktovogo izlucheniya v zavisimosti ot poryadkovogo nomera garmoniki l. Pokazan vklad vozmushenii plotnosti i gravitacionnyh voln v anizotropiyu izlucheniya

Ochen' vazhnym sledstviem etih eksperimentov yavlyaetsya vozmozhnost' sdelat' nekotorye vyvody o fizicheskih vzaimodeistviyah v energeticheskom diapazone 10¹⁶ GeV. Mozhno skazat', chto teoriya inflyacionnoi Vselennoi poluchila pervoe eksperimental'noe podtverzhdenie. Vyvody iz etih izmerenii – eto takzhe pervye eksperimental'nye dannye, otnosyashiesya k povedeniyu vzaimodeistvii v oblasti energii 10¹⁶ GeV. Zdes' umestny neskol'ko slov ob obshechelovecheskom znachenii etih dannyh. Pervye fizicheskie opytnye dannye chelovechestva otnosilis' k masshtabu energii ~1 eV na molekulu, to est' k goreniyu vetok, drov i kamennogo uglya. Ovladenie ognem pozvolilo nashim predkam stat' homo sapiens. Vnachale eksperimental'no-fizicheskoe, a zatem i tehnologicheskoe ovladenie masshtabom energii ot ~100 keV do ~1 MeV vozvestilo nachalo yadernogo i termoyadernogo veka. Eto peremeshenie "vsego" tol'ko v million raz po shkale energii! Chto zhe togda sulyat chelovechestvu eksperimental'nye znaniya pri peremeshenii v desyatki milliardov milliardov raz, ot 1 MeV do 10¹⁶ GeV!

4. Stadiya bariosinteza

Uravnenie sostoyaniya veshestva s otricatel'nym davleniem neustoichivo: ono dolzhno smenit'sya obychnym (polozhitel'nym ili ravnym nulyu) davleniem. Poetomu inflyacionnaya faza razvitiya Vselennoi dovol'no bystro konchaetsya. S okonchaniem etogo etapa rozhdaetsya obychnaya materiya.

Iz astronomicheskih nablyudenii sleduet, chto vo Vselennoi prakticheski otsutstvuet antiveshestvo. Zvezdy, gaz i pyl' nashei Galaktiki sostoyat iz veshestva, tak kak v protivnom sluchae annigilyaciya veshestva i antiveshestva, soprovozhdayushayasya vydeleniem bol'shogo kolichestva energii, byla by zamechena. Izvestny stalkivayushiesya galaktiki, galaktiki, vhodyashie v skopleniya i omyvaemye oblakami mezhgalakticheskogo gaza, no nigde ne zamecheno processov annigilyacii.

Mnogochislennye eksperimenty na uskoritelyah elementarnyh chastic pokazyvayut, chto processy rozhdeniya veshestva i antiveshestva ravnopravny. Odnako esli by kolichestvo protonov na nachal'nyh stadiyah Vselennoi bylo v tochnosti ravno kolichestvu antiprotonov, to pri ostyvanii plazmy do temperatury ~100 MeV i nizhe protony i antiprotony annigilirovali by, prevrativshis' v fotony, to est' vo Vselennoi veshestvo polnost'yu by ischezlo, a ostalos' by odno izluchenie. Odnako sam fakt nashego sushestvovaniya naglyadno dokazyvaet, chto veshestvo vo Vselennoi vse-taki est', hotya ego ves'ma malo po sravneniyu s kolichestvom reliktovyh fotonov. Otnoshenie kolichestva protonov n_p i reliktovyh fotonov n_γ v nastoyashee vremya n_p/n_γ ≈10^-8-10^-10. Eto oznachaet, chto vo vremya goryachei stadii, kogda temperatura byla ochen' vysokoi ( kT≫m_pc²), v pervichnoi plazme sushestvovalo ne tochnoe, a lish' priblizitel'no ravnoe kolichestvo protonov n_p i antiprotonov n_p^~:

Naibolee izvestnymi iz barionov yavlyayutsya protony i neitrony, oni zhe yavlyayutsya samymi stabil'nymi chasticami. Vremya raspada protona prevyshaet 10³² let, a vremya raspada neitrona okolo 20 min. Imeetsya eshe neskol'ko korotkozhivushih barionov. Dlya vseh etih chastic eksperimenty pokazyvayut sohranenie polnogo chisla barionov vo vseh processah vzaimodeistviya. Naprimer, esli raspadaetsya neitron, to v rezul'tate vzaimodeistviya poyavlyaetsya drugoi barion – proton: n→p+e⁺+ν^~; esli v rezul'tate reakcii rozhdaetsya dopolnitel'nyi proton, to etot process obyazatel'no soprovozhdaetsya rozhdeniem kakogo-libo antibariona, naprimer antiprotona p^~ :

Ris. 3. Shematicheskoe izobrazhenie raspada protona p. Sploshnymi tonkimi liniyami pokazany real'nye chasticy – kvarki d, u, u~ (proton yavlyaetsya sostavnoi chasticei, v kotoruyu vhodyat kvarki i glyuony), pozitron e+ i π0-mezon. Zhirnaya volnistaya liniya predstavlyaet virtual'nyi X-leptokvark

S pomosh'yu gipoteticheskih leptokvarkov udaetsya ob'yasnit' vysokuyu stabil'nost' protonov, inymi slovami, nablyudaemoe v eksperimentah sohranenie barionnogo zaryada. Raspad protona v etih modelyah proishodit po sheme, izobrazhennoi na ris. 3. Soglasno teorii elementarnyh chastic proton predstavlyaet soboi sistemu iz treh kvarkov (u,u,d ). Iz modelei Velikogo ob'edineniya sleduet, chto sushestvuet vzaimodeistvie, perevodyashee dva kvarka u, d v sverhtyazheluyu chasticu X . Odnako process rozhdeniya chasticy X yavlyaetsya virtual'nym, to est' real'naya chastica ne rozhdaetsya, poskol'ku massa X znachitel'no bol'she massy protona i pri rozhdenii real'noi chasticy s massoi m_x narushilsya by zakon sohraneniya energii. V rezul'tate virtual'nyi X-leptokvark raspadaetsya na lepton (im mozhet byt' pozitron ili myuon) i kvark u^~, kotoryi v rezul'tate vzaimodeistviya s tret'im kvarkom u, sostavlyavshim proton, obrazuet, k primeru, π⁰- ili K-mezon. Neobhodimost' dopustit' pri raspade protona promezhutochnoe sushestvovanie sverhmassivnoi chasticy X privodit k tomu, chto veroyatnost' dannoi reakcii v edinicu vremeni kraine nizkaya, Γ≈e⁴(m_p/m_X)⁴m_p iz-za vysokoi massy X-leptokvarka. Inymi slovami, pri raspade protona v modelyah Velikogo ob'edineniya barionnyi zaryad na samom dele mozhet menyat'sya, no, chtoby zaregistrirovat' hotya by odno sobytie raspada edinichnogo protona, potrebovalos' by zhdat' ne menee 10³² let. Umen'shit' vremya ozhidaniya, naprimer, do odnogo goda tozhe mozhno, no v etom sluchae pridetsya odnovremenno sledit' uzhe ne za odnim protonom, a za 100 tonnami vodoroda. Odnako pri stolknovenii dvuh protonov veroyatnost' ih raspada rastet proporcional'no kvadratu energii v sisteme centra mass protonov, i, kogda energiya chastic prevyshaet ~10¹⁵ GeV, raspady protonov ves'ma intensivny. Takie energii byli harakterny dlya plazmy v rannei Vselennoi v promezhutke vremeni ot ~10^-42 do ~10^-36 sekundy posle Bol'shogo Vzryva.

Mehanizm bariosinteza imeet mnogo obshego s obychnymi himicheskimi reakciyami, poetomu ego nazyvayut goryachim bariosintezom, a epohu generirovaniya izbytka veshestva nad antiveshestvom – stadiei bariosinteza. Sushestvuet neskol'ko al'ternativnyh mehanizmov obrazovaniya barionnogo izbytka. Odin iz takih mehanizmov, kotoryi rabotaet pri znachitel'no bolee nizkih temperaturah (kogda energiya chastic padaet do 10 TeV), nosit nazvanie holodnogo bariogeneza.

Sredi drugih mehanizmov obrazovaniya barionnogo zaryada zasluzhivaet upominaniya mehanizm, svyazannyi s ispareniem pervichnyh chernyh dyr (podrobnee sm. stat'yu D.A. Kirzhnica "Goryachie chernye dyry" v etom tome) . Etot process takzhe vedet k obrazovaniyu izbytka veshestva nad antiveshestvom.

5. Nukleosintez

Kogda temperatura Vselennoi ponizhaetsya do 10¹⁶-10¹⁷ K, v goryachei plazme, napolnyayushei Vselennuyu, proishodit elektroslabyi fazovyi perehod. Do etogo momenta elektromagnitnye i slabye vzaimodeistviya s uchastiem neitrino yavlyayutsya edinym elektroslabym vzaimodeistviem. Posle togo kak proishodit fazovyi perehod, bozony W^± i Z⁰ – perenoschiki elektroslabogo vzaimodeistviya – stanovyatsya massivnymi (srabatyvaet mehanizm dinamicheskogo rozhdeniya massy) i slaboe vzaimodeistvie stanovitsya ochen' slabym i korotkodeistvuyushim. V etu epohu slabye i elektromagnitnye vzaimodeistviya, byvshie do etogo momenta vremeni edinymi, rassheplyayutsya na obychnye elektromagnitnye, osnovnym kvantom kotoryh yavlyaetsya foton, i slabye vzaimodeistviya s uchastiem neitrino, osnovnymi kvantami kotoryh yavlyayutsya W^±- i Z⁰-bozony.

Pozzhe, primerno pri temperature T≈10¹¹ K, proishodit konfaiment (nevyletanie) kvarkov. V svobodnom sostoyanii kvarki mogut sushestvovat' tol'ko v ochen' goryachei plazme s temperaturoi T>10¹¹ K. V rannei Vselennoi, kogda temperatura byla znachitel'no bol'she etoi velichiny, protonov i neitronov ne bylo, sushestvoval "kvarkovyi sup". V rezul'tate rasshireniya Vselennoi temperatura padaet, kvarki nachinayut soedinyat'sya, obrazuya protony i neitrony, i kak samostoyatel'nye chasticy uzhe ne vstrechayutsya v prirode (ne vyletayut).

Posle epohi obrazovaniya protonov i neitronov naibolee zamechatel'noi yavlyaetsya epoha nukleosinteza. Ona nachinaetsya cherez 1 sekundu posle Bol'shogo Vzryva i prodolzhaetsya vplot' do ~100 sekund. V etot period sinteziruyutsya legkie yadra (s atomnym vesom A>5), bolee tyazhelye yadra sinteziruyutsya pozzhe v zvezdah.

Pervichnaya plazma v rassmatrivaemye epohi podchinyaetsya radiacionno-dominirovannomu uravneniyu sostoyaniya p=ρc²/3, chto pozvolyaet ispol'zovat' prostoe priblizhennoe uravnenie, svyazyvayushee temperaturu pervichnoi plazmy T (MeV) s vozrastom Vselennoi t (v sekundah): T∝ t ^-1/2.

Cherez 1 sekundu posle Bol'shogo Vzryva temperatura pervichnoi plazmy upala do 10¹⁰ K, chto sootvetstvuet energii ~1 MeV. Promezhutok vremeni ot t≈1 do t≈200 cekund igraet sushestvennuyu rol' v zhizni Vselennoi. V etot period obrazuyutsya pervichnye legkie yadra: ⁴He (25 %), deiterii ²H (3·10^-5 %), ³He ( 2·10^-5 %), ⁷Li (10^-9 %), to est' nachinaet rozhdat'sya privychnoe nam veshestvo.

Kineticheskie uravneniya, opisyvayushie rozhdenie legkih elementov v epohu nukleosinteza, obrazuyut dostatochno gromozdkuyu cepochku, kazhdoe iz nih sootvetstvuet odnoi termoyadernoi reakcii. Rozhdenie razlichnyh yader v processe pervichnogo nukleosinteza sushestvenno zavisit ot otnosheniya n/p chisla neitronov k chislu protonov v rassmatrivaemuyu epohu. Pri t<1 s i sootvetstvenno T>1 MeV otnositel'naya koncentraciya neitronov i protonov opisyvalas' ravnovesnoi formuloi n/p=exp[-Δm/T]), gde Δm≈1,3 MeV – raznica v massah neitrona i protona. Eto ravnovesie podderzhivalos' reakciyami slabogo vzaimodeistviya. Pri padenii temperatury do T=0,7 MeV eti reakcii prakticheski prekratilis' i otnoshenie n/p stalo postoyannym i ravnym otnosheniyu etih velichin v konce processa. Na etom etape razvitiya Vselennoi neitrony i protony sushestvovali v svobodnom vide, ne svyazyvayas' v yadra. Pozzhe, kogda temperatura upala nizhe 100 keV, bol'shaya chast' neitronov (krome teh, chto uspeli raspast'sya) okazalas' svyazannoi pri obrazovanii deiteriya v hode reakcii p+n→2 ²H+γ.

V svoyu ochered' deiterii, effektivno zahvatyvaya bariony pervichnoi plazmy, rozhdal ³He i tritii ( ³H). S zahvatom eshe odnogo protona ili neitrona obrazovyvalsya ⁴He, v kotorom prakticheski vse neraspavshiesya neitrony zakanchivali svoi put'. Otsutstvie podhodyashih yader s massovym chislom A=5 tormozilo dal'neishie reakcii, delaya obrazovanie bolee tyazhelyh elementov ( ³He+⁴He →⁷Be, 3 ⁴He→¹²C i t. p.) maloveroyatnym sobytiem.

Otnositel'nyi (po masse) vyhod ³He, ⁴He, ²H i ⁷Li v zavisimosti ot plotnosti barionov Ω_b pokazan na ris. 4. Umen'shenie vyhoda deiteriya s rostom Ω_b ob'yasnyaetsya tem, chto pri uvelichenii plotnosti barionov rastet chislo stolknovenii mezhdu nimi i sootvetstvenno vozrastaet veroyatnost' obrazovaniya tyazhelyh yader. Sledovatel'no, kolichestvo deiteriya vo Vselennoi yavlyaetsya chuvstvitel'nym indikatorom plotnosti barionnoi sostavlyayushei. Drugim takim indikatorom yavlyaetsya kolichestvo ⁷Li.

Ris. 4. Raschetnye vesovye koncentracii legkih elementov, obrazovavshihsya pri pervichnom nukleosinteze pri H=50 (km/s)/Mpk). Zheltaya oblast' – dopuskaemoe nablyudeniyami znachenie plotnosti barionov Ωb. Sploshnye krivye – teoreticheski vychislennye znacheniya obiliya razlichnyh elementov v zavisimosti ot Ωb. Vidno, chto kolichestvo 4He prakticheski ne zavisit ot etogo parametra. Naibolee zhestkie ogranicheniya na velichinu Ωb poluchayutsya po obiliyu deiteriya 2H i osobenno litiya 7Li, imeyushih ochen' sil'nuyu zavisimost' ot Ωb

Iz sravneniya raschetov s nablyudaemym obiliem elementov sleduet, chto plotnost' barionov Ω_b=0,05±0,03. Predskazanie kolichestva vodoroda ( H≈75 %), geliya ( ⁴He≈25 %), a takzhe ostal'nyh legkih elementov, dostatochno horosho soglasuyusheesya s nablyudeniyami, yavlyaetsya osnovnym rezul'tatom teorii nukleosinteza, a predskazanie plotnosti barionov vo Vselennoi – osnovnym pobochnym produktom etoi teorii. Stadiya nukleosinteza yavlyaetsya zaklyuchitel'noi stadiei, kotoraya otnositsya k rannei Vselennoi. Ona zakanchivaetsya cherez 3 minuty posle Bol'shogo Vzryva. Epohi v zhizni nashei Vselennoi, sleduyushie za epohoi nukleosinteza, predstavlyayut interes uzhe s tochki zreniya kosmologii sovremennoi Vselennoi.

6. Zaklyuchenie

Vsled za epohoi nukleosinteza sleduet stadiya, igrayushaya nemalovazhnuyu rol' v kosmologii – epoha dominirovaniya (preobladaniya) skrytoi massy, kotoraya v zavisimosti ot tipa nositelya skrytoi materii nastupaet primerno pri temperature T≈10⁵ K. Nachinaya s etoi epohi rastut malye vozmusheniya plotnosti veshestva, kotorye k nashemu vremeni uvelichivayutsya nastol'ko, chto poyavlyayutsya galaktiki, zvezdy i planety.

Zatem nastupaet epoha rekombinacii vodoroda, v processe kotoroi protony i elektrony ob'edinyayutsya i obrazuetsya vodorod – samyi rasprostranennyi element vo Vselennoi. Epoha rekombinacii sovpadaet s epohoi "prosvetleniya" Vselennoi: plazma ischezaet i veshestvo stanovitsya prozrachnym. Temperatura etoi epohi izvestna ochen' horosho iz laboratornoi fiziki T≈4500-3000 K. Posle rekombinacii fotony dohodyat do nablyudatelya, prakticheski ne vzaimodeistvuya s veshestvom po doroge, sostavlyaya reliktovoe izluchenie, energeticheskii spektr kotorogo sootvetstvuet v nastoyashee vremya spektru absolyutno chernogo tela, nagretogo do temperatury 2,75 K. Raznica v temperaturah ~3000 i ~3 K obuslovlena tem, chto s epohi prosvetleniya Vselennoi ee razmery uvelichilis' primerno v 1000 raz.

V promezhutke mezhdu epohoi rekombinacii i nashim vremenem raspolozhena eshe odna vazhnaya epoha – obrazovanie krupnomasshtabnoi struktury Vselennoi ili obrazovanie sverhskoplenii galaktik. Uslovno eta epoha prihoditsya na krasnoe smeshenie z≈10, kogda temperatura reliktovyh fotonov padaet do 30 K. V promezhutke ot z≈10 do z≈0 lezhit epoha nelineinoi stadii evolyucii vnegalakticheskih ob'ektov, to est' epoha obychnyh galaktik, kvazarov, skoplenii i sverhskoplenii galaktik. No vse eto uzhe za ramkami nastoyashei stat'i.

Literatura

1. Kosmologiya . Fizika kosmosa. Malen'kaya enciklopediya. M.: Sov. enciklopediya, 1986, s. 90.
2. Vainberg S. Pervye tri minuty. M.: Energoizdat, 1981.
3. Dolgov A.D., Zel'dovich Ya.B., Sazhin M.V. Kosmologiya rannei Vselennoi. M.: MGU, 1988.
4. Zel'dovich Ya.B., Novikov I.D. Stroenie i evolyuciya Vselennoi. M.: Nauka, 1975.
5. Okun' L.B. Fizika elementarnyh chastic. M.: Nauka, 1988.