Модель горячей Вселенной

Модель горячей Вселенной

Мы можем все высчитать и все просчитать, но Вселенная слушает себя, а не наши расчеты. А в ней все со всем связано, все на все влияет…

Анхель де Куатье «Дневник сумасшедшего»

До сих пор мы представляли модели Вселенной в большей мере с точки зрения геометрии и развития этой геометрии во времени. И это вполне соответствует нашей задаче обсуждения гравитационных взаимодействий. Действительно, как мы договорились, в современном научном понимании гравитационные явления должны рассматриваться с позиции искривления пространства-времени. Однако космология без обсуждения эволюции вещества выглядит незавершенной. Необходимо иметь хотя бы общие представления. Поэтому мы кратко изложим основную (наиболее признанную) парадигму эволюции вещества во Вселенной. Она называется моделью горячей Вселенной и предложена в 1948 году Георгием Гамовым (1904–1968). Основная идея состоит в том, что вещество, будучи в начальные моменты очень плотным, должно быть еще и очень горячим, а по мере расширения остывать.

Прежде всего отметим, что утверждения о самой ранней стадии эволюции Вселенной являются весьма приблизительными. Планковское время 10^–43 с считают моментом отделения гравитационного взаимодействия от остальных трех фундаментальных взаимодействий: электромагнитного, слабого и сильного. Этому времени соответствует планковская температура ~ 10¹⁹ ГэВ. Для пояснения, часто температура измеряется энергетическими единицами, как здесь – электронвольтами (эВ), а 10¹⁹ ГэВ соответствует 10³² К. С расширением (со временем) температура падает. После «планковского рождения» началась инфляция. Время ее завершения приблизительно 10^-37 с или более.

После стадии инфляции Вселенная наполнилась обычной материей – известными нам элементарными частицами. В списке известных частиц каждой частице соответствует античастица, например, протону – антипротон и т. д. Но современный мир состоит почти из одних частиц, античастиц – ничтожное количество. Если бы состояние Вселенной после инфляции было строго равновесным, то частиц и античастиц должно было родиться одинаковое количество, они бы все аннигилировали с выделением энергии в виде, скажем, излучения, и нашего мира в современном восприятии не было бы. Прежде всего важно соотношение барионов (это протоны, нейтроны – основа нашего мира) и антибарионов. Но поскольку Вселенная расширяется, то равновесия не возникло, и это, полагают, привело к избытку числа барионов над числом антибарионов, а этот избыток и есть вещество нынешней Вселенной. Момент образования этой асимметрии относят также к моменту окончания инфляции и периоду рождения обычной материи.

Завершением инфляции будем считать время 10^–35 с, когда температура остается не ниже 10¹⁶–10¹⁵ ГэВ (10²⁹ К) и неразличимы взаимодействия различных видов: электромагнитного, слабого и сильного (всех, кроме гравитационного) – они проявляют себя как единое взаимодействие. Этот период называется периодом Великого объединения. С расширением, при температуре ниже 10¹⁵ ГэВ, эпоху Великого объединения сменяет эпоха электрослабого объединения, когда только электромагнитное и слабое взаимодействия представляют единое целое.

В момент, когда температура понижается до 100 ГэВ (10¹⁷–10¹⁶ К) эпоха электрослабого объединения заканчивается, это называют элетрослабым фазовым переходом и он происходит через 10^–10 с после «рождения». Образуются такие элементарные частицы, как кварки, лептоны, глюоны и промежуточные бозоны. Это состояние называется кварк-глюонная плазма. Такие элементарные частицы, как барионы (протоны, нейтроны, и т. д.) и мезоны (пионы, каоны, и т. д.), называются адронами и состоят из кварков. В настоящую эпоху нет возможности увидеть кварки свободными – они «намертво» вморожены в частицы. А в то время они были в свободном состоянии равновесной плазмы. Но Вселенная остывает и при возрасте 10^–4 с и температуре 100 МэВ (10¹²–10¹³ К) приходит эра, когда становится возможным слияние кварков в адроны (конфаймент кварков). В эту эпоху состав Вселенной начинает походить на современный; основные частицы – это фотоны, помимо них есть только электроны и нейтрино со своими античастицами, а также протоны и нейтроны. В этот период происходит одно важное событие: нейтрино перестают активно взаимодействовать с веществом (то есть вещество становится прозрачным для нейтрино) и далее расширяются самостоятельно. Возникает реликтовый фон нейтрино. К настоящему времени нейтринный газ должен был остыть до 1,9 К, если нейтрино не имеют массы (или их массы пренебрежимо малы).

При температуре 0,7 МэВ и ниже (10¹⁰–10⁹ К) термодинамическое равновесие между протонами и нейтронами, существовавшее до этого, нарушается и отношение концентрации нейтронов и протонов застывает на значении 0,19. Начинается синтез ядер дейтерия, гелия, лития. Момент начала такого процесса (который называется первичным нуклеосинтезом) от «рождения мира» – около 1 секунды. Примерно через 3 минуты после рождения Вселенной температура падает до значений, при которых синтез ядер уже невозможен, и химический состав вещества остается неизменным до момента рождения первых звезд.

Таким образом, для дозвездного вещества (по числу атомов) предсказывается: H (75 %), ⁴He (25 %), D (3 · 10^–5), ³He (2 · 10^–5), ⁷Li (10^–9). Эти цифры хорошо согласуются с новейшими определениями химсостава вещества по линиям в спектрах квазаров на больших красных смещениях.

Важные моменты в ранней Вселенной приведены в таблице

Важной эпохой в эволюции Вселенной является эпоха рекомбинации водорода. Это произошло через 300 000 лет после начала расширения. Процесс состоял в том, что отдельные протоны и электроны объединились в атомы. Такая среда становится прозрачной для электромагнитного излучения, которое далее расширяется независимо, остывая при этом в соответствии с фридмановским законом. Как следствие, в наше время должно наблюдаться остаточное излучение, спектр которого такой же, как спектр абсолютно черного тела, и это излучение должно быть в высшей степени изотропно.

В 1964 году американские ученые Арно Элан Пензиас и Роберт Вилсон, испытывая чувствительную радиоантенну, обнаружили очень слабое фоновое микроволновое излучение, от которого никаким образом не могли избавиться. Его температура оказалась равной 2,73 К, что близко к предсказанной Гамовым величине в модели горячей Вселенной. Из экспериментов по исследованию изотропии было установлено, что источник микроволнового фонового излучения не может находиться внутри Галактики, так как тогда должна была бы наблюдаться концентрация излучения к центру Галактики. Источник излучения не мог находиться и внутри Солнечной системы, так как наблюдалась бы суточная вариация интенсивности. В силу этого был сделан вывод о внегалактической природе излучения.

Тем самым гипотеза горячей Вселенной получила, пожалуй, самое веское наблюдательное основание, после чего в ней уже мало кто сомневается. За это открытие Пензиас и Вилсон в 1978 году получили Нобелевскую премию по физике.

Расскажем о реликтовом излучении немного больше. Действительно, его спектр соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 2,73 К. Максимальная интенсивность приходится на частоту 160,4 ГГц, что соответствует длине волны 1,9 мм (микроволновое излучение).

Обсуждая основы СТО и ОТО, мы заостряли внимание на том, что в этих теориях в общем случае нельзя выделить в чем-то особую систему отсчета. Однако решение для Вселенной – это уже не общий случай, а реликтовое излучение в силу своей всеобщности и изотропии вполне может играть роль такой выделенной системы отсчета. Фактически оно уже играет роль «каркаса», относительно которого проводят измерения во Вселенной. Существует так называемая дипольная анизотропия. Оказывается, в одной части неба реликтовое излучение чуть теплее, в противоположной – чуть холоднее, разница составляет 6,71 мК (милликельвин). Этот эффект вызван доплеровским смещением частоты из-за нашей собственной скорости относительно системы отсчета, связанной с реликтовым излучением. Он соответствует движению Солнечной системы по направлению к созвездию Девы со скоростью ? 370 км/с. Если учесть этот фактор, то все равно

окажется, что реликтовое излучение изотропно лишь до 0,01 %. Эта анизотропия сейчас хорошо регистрируется и анализируется, а ее изучение оказывается очень важным для изучения эволюции возмущений во Вселенной в целом.

Сразу после рекомбинации еще не было никаких массивных тел, космических объектов: вещество было рассеяно во Вселенной почти равномерно. Как же из однородной среды образовались звезды, планеты, галактики, скопления галактик? Здесь опять свою роль сыграла гравитация. Там, где плотность была чуть выше средней, сильнее было и притяжение, значит, более плотные образования становились еще плотнее. Распределение галактик и скоплений галактик во Вселенной называется крупномасштабной структурой. Большой вклад в развитие теории ее образования вн если Зельдович и его сотрудники.

По современным представлениям раньше сформировались наименее массивные объекты. Сначала образовались так называемые первые звезды, возможно это было уже через 30 млн лет после Большого взрыва. Затем – галактики и скопления галактик.

Как же происходило формирование крупномасштабной структуры? Выделялись крупные неоднородности с массой около 10¹⁵ М_?, которые несимметрично (что важно) сжимались с образованием плоских объектов, которые назвали «блинами». Это прообразы скоплений галактик. В пространстве блины расположены случайным образом (хаотично). Пересечения блинов образуют сверхскопления в виде нитей, см. рис. 9.10, в результате чего формируется ячеистая структура с размерами ячеек около 50–100 Мпк и толщиной стенок 3–4 Мпк. Образование блинов происходило примерно 13 млрд лет назад.

Эти теоретические выводы блестяще подтвердились. Перечисленные образования были обнаружены в 80-е годы прошлого столетия в результате изучения пространственного распределения галактик.

Рис. 9.10. Крупномасштабная структура Вселенной

Представленная картина образования структуры имеет место для фридмановской стадии расширения. Сейчас мы фактически перешли на стадию доминирования темной энергии. Предположим, что давление и плотность темной энергии не меняется со временем, т. е. она описывается космологической постоянной. Тогда из общих уравнений для флуктуаций в космологии следует, что рост возмущений не происходит и их размер неизменен. Это означает, что для этого предположения теория не допускает структур больше ныне наблюдаемых, тем более, этот же вывод будет и для фантомного уравнения состояния. В случае квинтэссенции, ситуация не настолько детерминирована.

В целом модель горячей Вселенной подтверждена и является общепризнанной. Однако постоянно появляются новые данные, которые требуют осмысления и коррекции основной модели, постоянно возникают вопросы, которые требуют ответов.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.