Теория Большого взрыва

Теория Большоговзрыва.

I.Сценарий Большого взрыва

Как и любая схема, претендующая на объяснение данных оспектре микроволнового космического излучения, химического составадогалактического вещества и иерархии масштабов космических структур, стандартная модель эволюции Вселенной базируется на ряде исходных предположений (о свойствах материи, пространства и времени), играющих, роль своеобразных"начальных условий расширения мира. В качестве одной из рабочих гипотез этоймодели выступает предположение об однородности и изотропии свойств Вселенной напротяжении всех этапов ее эволюции.

Кроме того, основываясь на данных о спектремикроволнового излучения, естественно предположить, что во Вселенной в прошломсуществовало состояние термодинамического равновесия между плазмой иизлучением, температура которого была высока. Наконец, экстраполируя в прошлоезаконы возрастания плотностей вещества и энергии излучения, нам придется предположить, что уже при температуре плазмы, близкой к 1010 К, в ней, существовали протоны и нейтроны, которыебыли ответственны за формирование химического состава космического вещества.

Очевидно, что подобный комплекс начальных условий"нельзя формально экстраполировать на самые ранние этапы расширения Вселенной, когда температура плазмы превышает 1012 К поскольку вэтих условиях произошли бы качественные изменения состава материи, связанные, вчастности, с кварковой структуры нуклонов. Этот период, предшествующий этапу стемпературой около 1012 К, естественно отнести к сверх ранним стадиям расширения Вселенной, о которых, ксожалению, в настоящее время известно еще очень мало.

Дело в том, что по мере углубления в прошлоеВселенной мы неизбежно сталкиваемся с необходимостью описывать процессывзаимопревращений элементарных частиц со все большей и большей энергией, вдесятки и даже тысячи раз превышающей порог энергий, доступных исследованию насамых мощный современных ускорителях. В подобной ситуации, очевидно, возникаетцелый комплекс проблем, связанных, во-первых, с нашим незнанием новых типовчастиц, рождающихся в условиях высоких плотностей плазмы, а во-вторых, сотсутствием «надежной» теории, позволившей бы предсказать основныехарактеристики космологического субстрата в этот период.

Однако даже не зная в деталях конкретных свойствсверхплотной плазмы при высоких температурах, можно предположить, что, начинаяс температуры чуть меньше, 1012 Кее характеристики удовлетворяли условиям, Перечисленным в начале этого раздела. Иначе говоря, при температуре около 1012К материя во Вселенной была представленаэлектрон-позитронными парами (е —, е+); мюонами иантимюонами (м —, м+); нейтрино и антинейтрино, какэлектронными (vе, vе), так и мюонными (vм, vм)и тау-нейтрино (vt, vt);нуклонами (протонами и нейтронами) и электромагнитным излучением.

Взаимодействие всех этих частиц обеспечивало в плазме состояниетермодинамического равновесия, которое, однако, изменилось по мере расширенияВселенной для различных типов частиц. При температурах меньше 1012 Кпервыми это «почувствовали» мюон-антимюонные пары, энергия покоя которыхсоставляет примерно 106 МэВ8. Затем уже при температуре порядка 5.109К аннигиляция электрон-позитронных пар стала преобладать над процессами ихрождения при взаимодействии фотонов, что в конечном итоге привело ккачественному изменению состава плазмы.

Начиная с температур Т<109 К, основную роль в динамикерасширения Вселенной стали играть электронные, мюонные и тау-нейтрино, а такжеэлектромагнитное излучение. Как же перераспределилась энергия, которая была"запасена" на лептонной стадии в массивных частицах?

Оказывается, она пошла на «нагрев» излучения, а вместес тем и частиц, находящихся при температурах больше 5.109К в равновесии с излучением. Действительно, небольшое увеличение плотностифотонов, вызванное аннигиляцией мюонов и антимюонов, автоматически приводит кувеличению концентрации электрон-позитронных пар, которые взаимодействуют сфотонами в реакции Y+Y е —+ е+. В свою очередь, электроныи позитроны могут рождать пары нейтрино и антинейтрино.

Такимобразом, весь избыток энергии мюонов после их аннигиляции перераспределитсямежду различными компонентами плазмы. Подобная «перекачка» энергии массивныхчастиц ко все более легким должна была осуществляться лишь до тех пор, пока нестали аннигилировать самые легкие заряженные лептоны — электроны и позитроны, которые в последний раз «подогрели» излучение при температуре около 5.109К. После этот момента доминирующую роль в расширении Вселенной игралоэлектромагнитное излучение, и лептонная эра «температурной» истории космическойплазмы сменилась эрой преобладания радиации.

Фактически именно в этот период при температурахплазмы около 5.109 К произошло формированиеравновесного спектра электромагнитного излучения, дошедшего до нас в формемикроволнового реликтового фона. Именно в ходе аннигиляции электрон-позитронныхпар практически вся энергия, запасенная в этом компоненте, была переданаэлектромагнитному излучению, плотность энергии которого увеличилась. Оставшиесяот эпохи аннигиляции электроны, сталкиваясь с квантами излучения, участвовали вобмене энергией между подсистемами плазмы. Кроме того, столкновения электроновс протонами сопровождались высвечиванием квантов, в результате чего спектрэлектромагнитного излучения должен был стать характерным для равновесногораспределения.

Уже в конце эпохи доминирования радиации притемпературах, близких к 104 К, взаимодействие свободных электронов спротонами сопровождалось образованием атомов водорода и уменьшением долисвободных носителей электрического заряда. При этом рассеяние квантов наэлектронах становилось все менее эффективным и, наконец, начиная с периода, характерного падением температуры ниже 3000 К, распространение фотонов осуществлялосьпрактически свободно. Температура электромагнитного излучения после егоотделения от плазмы уменьшалась лишь вследствие расширения Вселенной, котороесмещало спектр квантов в миллиметровый и сантиметровый диапазоны.

Этот микроволновый фон является, таким образом, своеобразным отпечатком ранних высокотемпературных стадий эволюции Вселенной -реликтом, доказывающим, что в прошлом эта подсистема определяла основныехарактеристики космологической плазмы. Однако помимо фона микроволновогоизлучения, до нас должен был дойти еще один «отзвук» радиационно доминированнойэры расширения Вселенной. Речь идет о ядрах и изотопах легких химическихэлементов, образование которых в рамках модели Большого взрыва должно былопроизойти примерно за миллион лет до эпохи отделения вещества от излучения.

История вопроса о происхождении химических элементоввосходит к пионерским работам основоположника теории «горячей Вселенной» Г. А.Гамова. Задача, которую ставили перед собой Г. А. Гамов и его сотрудники вконце 40-х годов нашего столетия, с позиций сегодняшнего дня представляетсянеразрешимой. Авторы надеялись с помощью процессов слияния протонов и нейтроновв ядра химических элементов объяснить происхождение практически всех элементовтаблицы Менделеева еще на ранних этапах расширения Вселенной. В те годы, когдаядерная физика делала буквально первые шаги, еще не было известно, что вприроде не существует стабильных ядер с атомными весами А=5 и А=8, и цепочкапоследовательных присоединений протонов и нейтронов с образованием дейтерия, гелия-3, трития и гелия-4 имеет обрыв уже буквально на следующем шаге.

Г. А. Гамова вдохновляла еще одна, как теперь ясно, неверная предпосылка. В те годы постоянную Хаббла считали в 5 — 10 раз большей, чем находят сейчас. 0тсюда следовало, что возраст Метагалактики должен былсоставлять лишь несколько миллиардов лет, т. е. столько же, сколько, согласногеологическим данным, «живет» Земля. Поэтому казалось, что все химическиеэлементы «от мала до велика» должны были сформироваться в едином процессекосмологического нуклеосинтеза, если, конечно, предполагать, что Вселенная впрошлом была горячей. Г. А. Гамов предсказал и современную температуруреликтового излучения — порядка 5 К, как видим, значение, весьма близкое кдействительности.

На самом же деле, из-за того что возраст Метагалактикина порядок больше, чем предлагал Г. А. Гамов, термоядерном котле горячейВселенной успели бы «сварится» только самые легкие элементы (до гелия, авозможно, до лития включительно). Затем температура упала вследствие расширениянастолько, что дальнейший синтез элементов должен был остановиться. Болеетяжелые элементы, как теперь предполагают, образовались в термоядерных реакцияхв недрах звезд, и при вспышках Сверхновых.

Как часто случалось в истории науки, несмотря, наневерные предпосылки, Г. А. Гамов «угадал» горячее прошлое Вселенной, триумфально подтвержденное открытием реликтового радиофона. Каким же, образом ввысокотемпературной плазме формировался изотопный состав догалактическоговещества?

Оказывается, одну из главных ролей в этом процессеиграли реакции слабого взаимодействия электронных нейтрино и антинейтрино спротонами и нейтронами. Еще на лептонной эре расширения Вселенной притемпературе выше 1010 К столкновения нейтрино vе, vес протонами р и нейтронами n эффективноперемешивали эти частицы в реакциях.

Начиная с температуры 1010 К, характерноевремя этих реакций близко к возрасту Метагалактики, и они приостанавливаются. Расчеты показывают, что к этому моменту концентрация нейтронов стала меньшеконцентрации протонов из-за небольшой разности их энергий покоя.

Этот контраст «замораживался» практически до тех пор, пока температура не уменьшилась до 109 К. После этого всяпоследовательность взаимопревращения нуклонов в ядра 4Не, 3Не,2Н, 3Н осуществлялась в два этапа. На первом притемпературах плазмы порядка 109 К происходило слияние протонов инейтронов в ядра дейтерия n+p 2Н+Y. Расчеты показывают, что до тех пор, пока практическивсе протоны и нейтроны не связались в ядра дейтерии, гелия-3 (2Н+р3Не+ Y) и трития (2Н+n 3Н+ Y), синтез 4Не происходил крайненеэффективно. После этого в действие вступили столкновения ядер дейтерия междусобой и с ядрами 3Н и 3Не, приведшие к появлению ядергелия-4, причем длительность этапа синтеза 4Не крайне мала.

На рис. 3 для иллюстрации динамики космологическогонуклеосинтеза приведена зависимость массовых концентраций легких химическихэлементов от температуры плазмы. Как видно, уже при температуре 5.107К сформировался практически весь первичный химический состав вещества: около 23- 26% нуклонов связалось в ядра 4Не; 74 — 77% по массе составляетводород и лишь 0,01 — 0,0001% -дейтерий, гелий-3 и тритий. Заслуживает вниманиято обстоятельство, что распространенность дейтерия во Вселенной весьмачувствительна к современной плотности вещества. При изменении рm(0) от 1,4.10-31до 7.1030 г/см3 его относительнаяконцентрация (2Н/Н) уменьшается практически на семь порядков. Вменьшей мере от величины современной плотности барионов зависит массовоесодержание 4Не, однако, и оно возрастает примерно в 2 раза.

Этой особенностью можно воспользоваться дляпредсказания сегодняшней плотности вещества во Вселенной, если известнанаблюдаемая распространенность космических гелия-4 и дейтерия. Однакозначительным препятствием на пути реализации этой программы является искажениепервичного химического состава вещества на стадии существования галактик извезд. Например, в Солнечной системе измерения дают примерно 20 — 26%-нуювариацию массовой концентрации 4Не относительно водорода. В солнечномветре эта величина колеблется еще значительнее — от 15 до 30% .

Спектроскопические измерения линий поглощения иэмиссии гелия в атмосферах, ближайших к Солнцу звезд, свидетельствуют также оналичии вариаций в его массовой концентрации от 10 до 40%. Присутствие 4Необнаруживают и в наиболее старых объектах нашей Галактики — шаровых скоплениях, где его распространенность колеблется от 26 до 28%. Все это, естественно, снижает преимущества использования данных о галактическом содержании 4Недля определения величины современной плотности вещества, совместимой с модельюБольшого взрыва.

В этом аспекте более информативными оказываютсяданные, получаемые из сопоставления космологической продукции дейтерия и егосовременной распространенности в Галактике. В отличие от 4Не этотизотоп лишь выгорает в ходе образования звезд, и, следовательно, сегодня речьможет идти лишь об определении нижней границы его плотности массы. Наблюдениялиний поглощения атомарного дейтерия в межзвездной среде, а также регистрация излучениямолекул HD, DCN показывают, что содержание этого изотопа в Галактикесоставляет примерно в пределах от 0,001 до 0,1% от массы водорода. Этосоответствует современной плотности вещества рm(0)=1,4.10-31г/см3.

Любопытно, что, помимо объяснения химического составаранней Метагалактики, теория космологического нуклеосинтеза позволяет получитьуникальную информацию о пространственной плотности трудно наблюдаемых частиц, дошедших до эпохи доминирования лептонов от предыдущих этапов космологическогорасширения. В частности, основываясь на этой теории, можно ограничить числовозможных типов нейтрино, которые в последнее время стали объектом пристальноговнимания космологов.

Еще каких-нибудь 6 — 7 лет назад этот вопрос стоял какбы на втором плане в модели «горячей Вселенной». Считалось, что решающую роль вформировании химического состава догалактического вещества играли электронныенейтрино и антинейтрино и в меньшей степени — мюонные нейтрино Vm, Vm. Эксперимент не давалоснований предполагать, что в природе существуют иные типыслабовзаимодействующих нейтральных лептонов, а космологи предпочиталируководствоваться принципом «бритвы Окаама»: entia non sunt multiplicandapraenter necessitatem («сущности не должны быть умножаемы сверхнеобходимости»).

Ситуация в этом вопросе радикально изменилась послеоткрытия в 1975 г. тяжелого заряженного тау-лептона, которому должен былсоответствовать новый тип нейтрино — vt. Сейчасуже не вызывает сомнений, что семейство нейтрино пополнилось новым членом, энергия покоя которого не превышает 250 МэВ. Возникла любопытная ситуация-современные ускорители элементарных частиц приблизились лишь к энергиямпорядка 105 МэВ и уже появился новый тип нейтрино. Что кроется заэтим порогом энергий? Не ожидает ли нас в будущем катастрофическое увеличениечисла членов семейства лептонов по мере проникновения в глубь микромира?

Оказывается, на этот вопрос модель «горячей Вселенной"дает вполне определенный ответ. Если бы в природе, помимо vе, vm, vtсуществовали новые типы нейтрино, энергии покоя которых не превышали бы 30 — 50эВ, их роль в период космологического нуклеосинтеза свелась бы к увеличениюскорости охлаждения плазмы и, следовательно, изменились бы условия образованияхимических элементов. Впервые подобная роль слабовзаимодействующих частиц вдинамике космологического синтеза легких химических элементов была отмечена в 1969 г. советским астрофизиком В. Ф. Шварцманом, и за последнее десятилетие уточнялась лишьколичественная сторона вопроса.

Расчеты показывают, что если за верхнюю границураспространенности догалактического гелия-4 принять его массовую концентрацию25%, то неизбежно следует вывод, что все возможные типы нейтрино в природе ужеоткрыты. С некоторой осторожностью, связанной с недостаточной точностьюнаблюдательных данных о распространенности космических 4Не и 2Н, можно считать, что, помимо vе, vm, vt существует не более еще двух типов новых нейтрино. Это обстоятельство играет существенную роль при анализе проблемы скрытой массыВселенной.

Итак, в общих чертах мы познакомились с двумяважнейшими эпохами «температурной» истории космологической плазмы, напротяжении которых произошло формирование первичного химического состававещества и спектра микроволнового реликтового излучения. Однако изложенная вышесхема нуждается в существенном дополнении, поскольку в ней не нашел ещеотражения факт существования крупномасштабной структуры Вселенной — скоплений исверхскоплений галактик.

Действительно, после аннигиляции электрон-позитронныхпар во Вселенной (T=5.109 К) наиболеераспространенным компонентом высокотемпературной космологической плазмы сталоэлектромагнитное излучение, которое после рекомбинации водорода пересталовзаимодействовать с веществом. Равновесный характер спектра этого излученияобусловлен существованием продолжительной фазы расширения, когда между фотонамии электронами происходило интенсивное взаимодействие. После рекомбинацииводорода и гелия Вселенная должна была оказаться заполненной однороднораспределенными веществом и излучением. И сейчас не должно было быть никакойструктуры — ни звезд, ни галактик, ни нас. Вполне удручающая картина.

Эти предсказания, очевидно, весьма далеки отнаблюдаемого многообразия структурных форм материи во Вселенной. Напрашиваетсявывод, что для объяснения наблюдаемой структуры, еще на ранних этапахрасширения Вселенной должны существовать флуктуации — хотя и малые, но конечныеотклонения плотности материи от однородного и изотропного распределения впространстве.

II. Большие проблемы Большого взрыва.

При внимательном рассмотрениикосмологическая теория происхождения и структуры вселенной начинает трещать пошвам.

Взгляните на усыпанноезвездами ночное небо. Как возникли все эти бесчисленные звезды и планеты? Большинство современных ученых, скорее всего, ответит на этот вопрос, сославшись на одну из версий теории «большого взрыва». В соответствии с этойтеорией, вначале вся материя Вселенной была сосредоточена в одной точке иразогрета до очень высокой температуры. В некий момент времени произошелужасающей силы взрыв. В расширяющемся облаке перегретых субатомных частицпостепенно стали формироваться атомы, звезды, галактики, планеты, и, наконец, зародилась жизнь. В настоящее время этот сценарий обрел статус непреложнойистины.

Спору нет, теориябольшого взрыва захватывает воображение и мало кого оставляет равнодушным. Ипоскольку она как будто основана на фактическом материале и подкрепленаматематическими выкладками, большинству людей она представляется болееприемлемой, чем религиозные объяснения возникновения Вселенной. Однакокосмологическая теория большого взрыва является лишь последней из целого рядапопыток объяснить зарождение Вселенной с позиций механистическогомировоззрения, согласно которому мир (и человек в том числе) представляет собойпорождение материи, функционирующей в строгом соответствии с законами физики.

Попытки ученых создатьчисто физическую модель происхождения Вселенной основываются на трехпостулатах:

1) все явления природымогут быть исчерпывающе объяснены физическими законами, выраженными в математическойформе;

2) эти физические законыуниверсальны и не зависят от времени и места;