Сценарiй Великого вибуху

Як i будь-яка схема, що претендує на пояснення даних про спектр
мiкрохвильового космiчного випромiнювання, хiмiчного складу
догалактического речовини й iєрархiï масштабiв космiчних
структур, стандартна модель еволюцiï Всесвiту базується на
рядi вихiдних припущень (про властивостi матерiï, простору й часу),
що грають, роль своєрiдних початкових умов розширення миру. У
якостi однiєï з робочих гiпотез цiєï моделi
виступає припущення про однорiднiсть i изотропии свiй ств Вс
еленной протягом всiх етапiв ïï еволюцiï
Крiм того, ґрунтуючись на даних про спектр мiкрохвильового
випромiнювання, природно припустити, що у Всесвiтi в минулому iснував
стан термодинамiчноï рiвноваги мiж плазмою й випромiнюванням,
температура якого була висока. Нарештi, екстраполюючи в минуле закони
зростання плотностей речовини й енергiï випромiнювання, нам
оведеться припустити, що вже при температурi плазми, близькоï до 10
10 ДО , у нiй, iснували протони й нейтрони, якi були вiдповiдальнi за
формування хiмiчного складу космiчноï речовини
Очевидно, що подiбний комплекс початкових умов не можна формально
екстраполювати на самi раннi етапи розширення Вселеноï, коли
температура плазми перевищує 10 12 До оскiльки в цих умовах
вiдбулися б якiснi змiни складу матерiï, зв'язанi, зокрема, iз
кварковой структури нуклонiв. Цей перiод, що передує етапу з
температурою близько 10 12 ДО , природно вiднести до понад раннiм
стадiям розширення Всесвiту, про якi, на жаль, у цей час вiдомо ще дуже
мало.
Справа в тому, що в мiру поглиблення в минуле Вселеноï ми неминуче
зiштовхуємося з необхiднiстю описувати процеси
взаємоперетворень елементарних часток iз все бiльшою й бiльшою
енергiєю, у десятки й навiть тисячу разiв перевищуючий порiг
енергiй, доступних дослiдженню на самих потужний сучасних прискорювачах.
У подiбнiй ситуацiï, мабуть, виникає цiлий комплекс проблем,
зв'язаних, по-перше, з нашим незнанням нових типiв часток, що
народжуються в умовах високих плотностей плазми, а по-друге, з
вiдсутнiстю надiйноï теорiï, що дозволила б пророчити основнi
характеристики космологiчного субстрату в цей перiод
Однак навiть не знаючи в деталях конкретних властивостей сверхплотной
плазми при високих температурах, можна припустити, що, починаючи з
температури ледве менше, 10 12 До ïï характеристики
задовольняли умовам, Перерахованим на початку цього роздiлу. Iнакше
кажучи, при температурi близько 10 12 До матерiя у Всесвiтi була
представлена електрон-позитронними парами (е — , е + ); мюонами й
антимюонами (м — , м + ); нейтрино й антинейтрино, як електронними
( v е , v е), так i мюонними ( v м , v м) i тау-нейтрино ( v t , v t );
нуклонами (протонами й нейтронами) i електромагнiтним випромiнюванням
Взаємодiя всiх цих часток забезпечувало в плазмi стан
термодинамiчноï рiвноваги, що, однак, змiнилося в мiру розширення
Всесвiту для рiзних типiв часток. При температурах менше 10 12 До
першого це вiдчули мюон-антимюонние пари, енергiя спокою яких становить
приблизно 106 Мев 8 . Потiм уже при температурi порядку 5.10 9 До
аннигиляция електрон-позитронних пар стала переважати над процесами
ïхнього народження при взаємодiï фотонiв, що в
остаточному пiдсумку привело до якiсноï змiни складу плазми.
Починаючи з температур Т<10 9 ДО , основну роль у динамiку розширення
Вселеноï стали грати електроннi, мюонние й тау-нейтрино , а також
електромагнiтне випромiнювання. Як же перерозподiлилася енергiя, що була
запасена на лептоннiй стадiï в масивних частках?
Виявляється, вона пiшла на нагрiвання випромiнювання, а разом з
тим i часток, що перебувають при температурах бiльше 5.10 9 К у
рiвновазi з випромiнюванням. Дiйсно, невелике збiльшення щiльностi
фотонiв, викликане аннигиляцией мюонiв i антимюонiв , автоматично
приводить до збiльшення концентрацiï електрон-позитронних пар, якi
взаємодiють iз фотонами в реакцiï Y + Y е — + е + . У
свою чергу, електрони й позитрони можуть народжувати пари нейтрино й
антинейтрино Таким чином, весь надлишок енергiï мюонiв пiсля
ïх аннигиляции перерозподiлиться мiж рiзними компонентами плазми.
Подiбна перекачування енергiï масивних часток до усе бiльше легкого
повинна була здiйснюватися лише доти, поки не стали анiгiлювати найлегшi
зарядженi лептони — електрони й позитрони, якi востаннє
пiдiгрiли випромiнювання при температурi близько 5.10 9 ДО. Пiсля цей
моменту домiнуючу роль у розширеннi Всесвiту грало електромагнiтне
випромiнювання, i лептонна ера температурноï iсторiï
космiчноï плазми змiнилася ерою переваги радiацiï
Фактично саме в цей перiод при температурах плазми близько 5.10 9 До
вiдбулося формування рiвноважного спектра електромагнiтного
випромiнювання, що дiйшло до нас у формi мiкрохвильового релiктового
тла. Саме в ходi аннигиляции електрон-позитронних пар практично вся
енергiя, запасена в цьому компонентi, була передана електромагнiтному
випромiнюванню, щiльнiсть енергiï якого збiльшилася. Оставшиеся вiд
епохи аннигиляции електрони, зiштовхуючись iз квантами випромiнювання,
брали участь в обмiнi енергiєю мiж пiдсистемами плазми. Крiм того,
зiткнення електронiв iз протонами супроводжувалися висвечиванием
квантiв, у результатi чого спектр електромагнiтного випромiнювання
повинен був стати характерним для рiвноважного розподiлу
Уже наприкiнцi епохи домiнування радiацiï при температурах,
близьких до 10 4 ДО , взаємодiя вiльних електронiв iз протонами
супроводжувалося утворенням атомiв водню й зменшенням частки вiльних
носiïв електричного заряду. При цьому розсiювання квантiв на
електронах ставало усе менш ефективним i, нарештi, починаючи з перiоду,
характерного спадом температури нижче 3000 ДО , поширення фотонiв
здiйснювалося практично вiльно. Температура електромагнiтного
випромiнювання пiсля його вiддiлення вiд плазми зменшувалася лише
внаслiдок розширення Всесвiту, що змiщало спектр квантiв у мiлiметровий
i сантиметровий дiапазони
Цей микроволновий тло є, таким чином, своєрiдним вiдбитком
раннiх високотемпературних стадiй еволюцiï Всесвiту —
релiктом, що доводить, що в минулому ця пiдсистема визначала основнi
характеристики космологiчноï плазми. Однак крiм тла мiкрохвильового
випромiнювання, до нас повинен був дiйти ще один вiдзвук радиационно
доминированной ери розширення Всесвiту. Мова йде про ядра й iзотопи
легких хiмiчних елементiв, утворення яких у рамках моделi Великого
вибуху повинне було вiдбутися приблизно за мiльйон рокiв до епохи
вiддiлення речовини вiд випромiнювання
Iсторiя питання про походження хiмiчних елементiв сходить до пiонерських
робiт основоположника теорiï гарячоï Вселеноï Г. А.
Гамова . Завдання, що ставили перед собою Г. А. Гаморiв i його
спiвробiтникiв наприкiнцi 40-х рокiв нашого сторiччя, з позицiй
сьогоднiшнього дня представляються нерозв'язноï. Автори сподiвалися
за допомогою процесiв злиття протонiв i нейтронiв у ядра хiмiчних
елементiв пояснити походження практично всiх елементiв таблицi
Менделєєва ще на раннiх етапах розширення Всесвiту. У тi
роки, коли ядерна фiзика робила буквально першi кроки, ще не було
вiдомо, що в природi не iснує стабiльних ядер з атомними вагами А
=5 i А=8, i ланцюжок послiдовних приєднань протонiв i нейтронiв з
утворенням дейтерiю, гелiю-3, тритiю й гелiю-4 має обрив уже
буквально на наступному кроцi
Г. А. Гамова надихала ще одна, як тепер ясно, невiрна передумова. У тi
роки постiйну Хаббла вважали в 5 — 10 разiв бiльшоï, нiж
знаходять зараз. 0тсюда випливало, що вiк Метагалактики повинен був
становити лише кiлька мiльярдiв рокiв, тобто стiльки ж, скiльки, згiдно
з геологiчними даними, живе Земля. Тому здавалося, що всi хiмiчнi
елементи вiд мала до велика повиннi були сформуватися в єдиному
процесi космологiчного нуклеосинтеза , якщо, звичайно, припускати, що
Всесвiт у минулому була гарячою. Г. А. Гаморiв пророчив i сучасну
температуру релiктового випромiнювання — порядку 5 ДО, як бачимо,
значення, досить близьке кдействительности.
Насправдi ж, через те що вiк Метагалактики на порядок бiльше, нiж
пропонував Г. А. Гаморiв, термоядерному казанi гарячого Всесвiту встигли
б зваряться тiльки найлегшi елементи (до гелiю, а можливо, до лiтiю
включно). Потiм температура впала внаслiдок розширення настiльки, що
подальший синтез елементiв повинен був зупинитися. Бiльше важкi
елементи, як тепер припускають, утворилися в термоядерних реакцiях у
надрах зiрок, i при спалахах Сверхнових.
Як часто траплялося в iсторiï науки, незважаючи, на невiрнi
передумови, Г. А. Гаморiв угадав гаряче минуле Вселеноï,
трiумфально пiдтверджене вiдкриттям релiктового радиофона . Яким же,
образом у високотемпературнiй плазмi формувався iзотопний склад
догалактического речовини?
Виявляється, одну з головних ролей у цьому процесi грали
реакцiï слабкоï взаємодiï електронних нейтрино й
антинейтрино iз протонами й нейтронами. Ще на лептоннiй ерi розширення
Всесвiту при температурi вище 10 10 До зiткнення нейтрино v е , v е iз
протонами р i нейтронами n ефективно перемiшували цi частки вреакциях.
Починаючи з температури 10 10 ДО , характерний час цих реакцiй близько
до вiку Метагалактики, i вони припиняються. Розрахунки показують, що до
цього моменту концентрацiя нейтронiв стала менше концентрацiï
протонiв через невелику рiзницю ïхнiх енергiй спокою
Цей контраст заморожувався практично доти, поки температура не
зменшилася до 10 9 ДО. Пiсля цього вся послiдовнiсть
взаємоперетворення нуклонiв у ядра 4 Не, 3 Не, 2 Н, 3 Н
здiйснювалася у два етапи. На першому при температурах плазми порядку 10
9 До вiдбувалося злиття протонiв i нейтронiв у ядра дейтерiю n+p 2 Н+ Y
. Розрахунки показують, що доти, поки практично всi протони й нейтрони
не зв'язалися в ядра дейтерiï, гелiю-3 ( 2 Н+ р 3 Не+ Y ) i
тритiï ( 2 Н+ n 3 Н+ Y ), синтез 4 Не вiдбувався вкрай неефективно.
Пiсля цього в дiю вступили зiткнення ядер дейтерiю мiж собою й з ядрами
3 Н и 3 Не, приведшие до появи ядер гелiю-4, причому тривалiсть етапу
синтезу 4 Не вкрай мала
На мал. 3 для iлюстрацiï динамiки космологiчного нуклеосинтеза
наведена залежнiсть масових концентрацiй легких хiмiчних елементiв вiд
температури плазми. Як видно, уже при температурi 5.10 7 До сформувався
практично весь первинний хiмiчний склад речовини: близько 23 — 26%
нуклонiв зв'язалося в ядра 4 Не; 74 — 77% по масi становить водень
i лише 0,01 — 0,0001% -дейтерiй, гелiй-3 i тритiй.
Заслуговує на увагу та обставина, що поширенiсть дейтерiю у
Всесвiтi досить чутлива до сучасноï густини речовини. При змiнi р m
(0) вiд 1,4.10 -31 до 7.10 30 г/см 3 його вiдносна концентрацiя ( 2 Н/Н)
зменшується практично на сiм порядкiв. У меншiй мерi вiд величини
сучасноï щiльностi барiонiв залежить масовий змiст 4 Не, однак, i
воно зростає приблизно в 2 рази
Цiєю особливiстю можна скористатися для пророкування
сьогоднiшньоï густини речовини у Всесвiтi, якщо вiдомо
спостережувану поширенiсть космiчних гелiю-4 i дейтерiï. Однак
значною перешкодою на шляху реалiзацiï цiєï програми
є перекручування первинного хiмiчного складу речовини на
стадiï iснування галактик i зiрок. Наприклад, у Сонячнiй системi
вимiру дають приблизно 20 — 26%-ную варiацiю масовоï
концентрацiï 4 Не щодо водню. У сонячному вiтрi ця величина
коливається ще значнiше — вiд 15 до 30% .
Спектроскопiчнi вимiри лiнiй поглинання й емiсiï гелiю в
атмосферах, найближчих до Сонця зiрок, свiдчать також про наявнiсть
варiацiй у його масовiй концентрацiï вiд 10 до 40 %. Присутнiсть 4
Не виявляють i в найбiльш старих об'єктах нашоï Галактики
— кульових скупченнях, де його поширенiсть коливається вiд
26 до 28%. Все це, природно, знижує переваги використання даних
про галактичний змiст 4 Не для визначення величини сучасноï густини
речовини, сумiсноï з моделлю Великого вибуху
У цьому аспектi бiльше iнформативними виявляються данi, одержуванi iз
зiставлення космологiчноï продукцiï дейтерiю i його
сучасноï поширеностi в Галактицi. На вiдмiну вiд 4 Не цей iзотоп
лише вигорає в ходi утворення зiрок, i, отже, сьогоднi мовлення
може йти лише про визначення нижньоï границi його щiльностi маси.
Спостереження лiнiй поглинання атомарного дейтерiю в мiжзоряному
середовищi, а також реєстрацiя випромiнювання молекул H D, DC N
показують, що змiст цього iзотопу в Галактицi становить приблизно в
межах вiд 0,001 до 0,00001% вiд маси водню. Це вiдповiдає сучаснiй
густинi речовини р m (0) =1,4.10 -31 г/см 3 . Цiкаво, що, крiм пояснення
хiмiчного складу ранньоï Метагалактики, теорiя космологiчного
нуклеосинтеза дозволяє одержати унiкальну iнформацiю про
просторову щiльнiсть важко спостережуваних часток, що дiйшли до епохи
домiнування лептонiв вiд попереднiх етапiв космологiчного розширення.
Зокрема, ґрунтуючись на цiй теорiï, можна обмежити число
можливих типiв нейтрино, якi останнiм часом стали об'єктом
пильноï уваги космологов.
Ще яких-небудь 6 — 7 рокiв тому це питання стояло як би на другому
планi в моделi гарячоï Вселеноï. Уважалося, що вирiшальну роль
у формуваннi хiмiчного складу догалактического речовини грали електроннi
нейтрино й антинейтрино й у меншому ступенi — мюонние нейтрино V m
, V m . Експеримент не давав пiдстав припускати, що в природi iснують
iншi типи слабовзаимодействующих нейтральних лептонiв, а космологи
волiли керуватися принципом бритви Окаама : entia non sunt multipli c
anda praenter necessitatem ( сутностi не повиннi бути множенi понад
необхiднiсть).
Ситуацiя в цьому питаннi радикально змiнилася пiсля вiдкриття в 1975 р.
важкого зарядженого тау-лептона , якому повинен був вiдповiдати новий
тип нейтрино — v t . Зараз уже не викликає сумнiвiв, що
сiмейство нейтрино поповнилося новим членом, енергiя спокою якого не
перевищує 250 Мев. Виникла цiкава ситуацiя -з овременние
прискорювачi елементарних часток наблизилися лише до енергiй порядку 10
5 Мев i вже з'явився новий тип нейтрино. Що криється за цим
порогом енергiй? Чи не очiкує нас у майбутньому катастрофiчне
збiльшення числа членiв сiмейства лептонiв у мiру проникнення в глиб
мiкросвiту?
Виявляється, на це питання модель гарячоï Вселеноï
дає цiлком певна вiдповiдь. Якби в природi, крiм v е , v m , v t
iснували новi типи нейтрино, енергiï спокою яких не перевищували б
30 — 50 еВ, ïхня роль у перiод космологiчного нуклеосинтеза
звелася б до збiльшення швидкостi охолодження плазми й, отже, змiнилися
б умови утворення хiмiчних елементiв. Уперше подiбна роль
слабовзаимодействующих часток у динамiку космологiчного синтезу легких
хiмiчних елементiв була вiдзначена в 1969 р. радянським астрофiзиком В.
Ф. Шварцманом, i за останнє десятилiття уточнювалася лише
кiлькiсна сторона питання
Розрахунки показують, що якщо за верхню границю поширеностi
догалактического гелiю-4 прийняти його масову концентрацiю 25%, те
неминуче треба висновок, що всi можливi типи нейтрино в природi вже
вiдкритi. З деякою обережнiстю, пов'язаноï з недостатньою точнiстю
спостережливих даних про поширенiсть космiчних 4 Не й 2 Н, можна
вважати, що, крiм v е , v m , v t iснує не бiльш ще двох типiв
нових нейтрино. Ця обставина вiдiграє iстотну роль при аналiзi
проблеми схованоï маси Всесвiту
Отже, загалом ми познайомилися iз двома найважливiшими епохами
температурноï iсторiï космологiчноï плазми, протягом яких
вiдбулося формування первинного хiмiчного складу речовини й спектра
мiкрохвильового релiктового випромiнювання. Однак викладена вище схема
має потребу в iстотному доповненнi, оскiльки в нiй не знайшов ще
вiдбиття факт iснування великомасштабноï структури Всесвiту —
скупчень i сверхскоплений галактик
Дiйсно, пiсля аннигиляции електрон-позитронних пар у Вселеноï
(T=5.10 9 ДО) найпоширенiшим компонентом високотемпературноï
космологiчноï плазми стало електромагнiтне випромiнювання, що пiсля
рекомбiнацiï водню перестало взаємодiяти з речовиною.
Рiвноважний характер спектра цього випромiнювання обумовлений iснуванням
тривалоï фази розширення, коли мiж фотонами й електронами
вiдбувалася iнтенсивна взаємодiя. Пiсля рекомбiнацiï водню й
гелiю Всесвiт повинна була виявитися заповненоï однородно
розподiленими речовиною й випромiнюванням. I зараз не повинне було бути
нiякоï структури — нi зiрок, нi галактик, нi нас. Цiлком
обтяжуюча картина
Цi пророкування, мабуть, досить далекi вiд спостережуваного рiзноманiття
структурних форм матерiï у Всесвiтi. Напрошується висновок,
що для пояснення спостережуваноï структури, ще на раннiх етапах
розширення Всесвiту повиннi iснувати флуктуацiï — хоча й
малi, але кiнцевi вiдхилення щiльностi матерiï вiд однорiдного й
iзотропного розподiлу впространстве.