Развивающаяся Вселенная

В конце 20-х годов Г.Гамов, Э.Альфер и Р.Герман указали возможный путь нуклеосинтеза в условиях ранней Вселенной, в его основе лежит процесс нерезонансного захвата нейтрона протоном. В таком процессе захваченный нейтрон (образующий с протоном ядро дейтерия) тут же распадается на протон, электрон и антинейтрино ( b-распад), после чего в ядре оказываются вместе два протона и это уже ядро гелия – второго после водорода элемента таблицы Менделеева. К ним присоединяется один или два нейтрона, создавая ядра с массовым числом 3 или 4. Массовое число показывает из скольких частиц (нейтронов и протонов) состоит данное ядро. Два изотопа гелия с указанными массовыми числами являются устойчивыми, а любые другие комбинации неустойчивы.

В принципе процесс нерезонансного захвата нейтрона может повториться с ядром гелия, оно увеличит свой заряд еще на единицу и станет ядром лития, затем бериллия и последующих элементов. Казалось бы, открывается прямой путь для последовательного образования одного за другим ядер всех известных элементов. Однако в Природе переходы от простого к сложному как правило отличаются от наиболее прямых, в наших представлениях, путей. Нуклеосинтез в ранней Вселенной тому пример. На пути его последовательного развития встали элементы с "магическими" массовыми числами 5 и 8. Дело в том, что любая комбинация протонов и нейтронов, образующая ядро с одним из таких массовых чисел, оказывается нежизнеспособной и стремительно распадается на составные части. Так что цепочка последовательного присоединения нейтрона к ядру с дальнейшим его превращением в протон обрывается в самом начале, не оставляя надежды на образование ядер с числом нуклонов, превышающим 4. Этот барьер на пути наращивания нуклонов в ядре физики назвали "щелью массы".

Таким образом, нуклеосинтез в ранней Вселенной не мог образовать наблюдаемого во Вселенной сегодняшнего дня разнообразия химических элементов, укладывающегося в стройную систему таблицы Менделеева. Поэтому его назвали первичным нуклеосинтезом. Примерно через полчаса после начала расширения все нейтроны оказались связанными с частью протонов, образовав ядра гелия с небольшой примесью ядер дейтерия и совсем мизерной добавкой ядер трития. Температура к этому времени упала до 300 тысяч градусов, но была еще слишком высокой для соединения ядер с электронами, что исключало образование атомов. Из-за преобладания в барионном веществе ранней Вселенной протонов над нейтронами итоговое содержание гелия, созданного первичным нуклеосинтезом, составило, по оценкам, 22 ё 28%, а остальное барионное вещество представляли ядра водорода, то есть протоны.

Первичный нуклеосинтез – это процесс трансформации только барионного вещества, основную часть которого составляют протоны и нейтроны. При всей важности для нас барионного вещества, из которого образованы мы и наше наблюдаемое окружение, оно составляет ничтожную часть вещественной Вселенной. Преобладают же бозонная частица фотон и лептонная частица нейтрино. Ранее упоминалось, что во Вселенной примерно на 10 миллиардов таких частиц приходится лишь одна барионная частица – ядро водорода (протон) или гелия, и одна лептонная частица - электрон. Фотон – безмассовая частица и она не участвует в создании тяготения. Но она взаимодействует со свободными электронами и в ранний период развития Вселенной, когда все наличные электроны были свободными, это обстоятельство прочно привязывало фотоны к барионному веществу, делая его непрозрачным для излучений. Учитывая эквивалентность энергии и массы, содержание фотонов во Вселенной можно выразить через их эквивалентную массу (она не связана с гравитацией). По этому показателю фотоны составляют 69% вещественной Вселенной. Что же касается нейтрино, то вопрос о наличии или отсутствии у них массы до сих пор остается открытым. Существуют основания считать, что эти частицы все же имеют небольшую массу, не более 30 эВ, но точное значение этой массы пока неизвестно. К рассматриваемому моменту развития Вселенной нейтрино обособились от барионов и фотонов, прекратив всякое взаимодействие с ними. Но если они обладают пусть даже незначительной массой, то с учетом огромного числа этих частиц их вклад в гравитационное взаимодействие окажется более существенным, чем вклад барионных частиц.

На эпизоде первичного нуклеосинтеза заканчивается стандартный сценарий Вселенной. последующие примерно 700 тысяч лет, по мнению космологов, не происходило ничего заслуживающего внимания. Вселенная продолжала остывать по мере расширения, оставаясь в целом однородной. К моменту времени, когда ее радиус достиг примерно 100 Мпс, а плотность вещества снизилась до 10^–22 г/см³, температура составила примерно 3000 К. Тогда электроны, наконец, получили возможность прочно соединиться с ядрами, образовав устойчивые атомы водорода и гелия. Свободные электроны исчезли, прекратилось их взаимодействие с фотонами и барионное вещество Вселенной стало прозрачным. Излучение отделилось от атомарного вещества и образовало то, что в нашу эпоху назвали реликтовым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохранило "память" о структуре барионного вещества в момент разделения. За минувшие с тех пор примерно 15-20 миллиардов лет реликтовое излучение в связи с расширением Веленной основательно "остыло", и в наши дни его температура составляет примерно 3,0 К, что соответствует равновесному излучению абсолютно черного тела на длинах волн в области от ~10 до 0,05 см с максимумом на длине волны ~0,1 см. Реликтовое излучение экспериментально обнаружено в 1964 году английскими радиофизиками Пензиасом и Вильсоном, что стало выдающимся событием нашего века, подтверждающим концепцию горячей Вселенной. Изучение пространственного распределения реликтового излучения дает важную информацию о структуре Вселенной на заключительной фазе начального развития мироздания. В частности, оно подтверждает, что к моменту соединения электронов и ядер в атомы (рекомбинация) барионное вещество во Вселенной распределялось исключительно однородно и изотропно.
После рекомбинации в состав Вселенной входили: лептоны (нейтрино и антинейтрино), реликтовое излучение (фотоны) и барионное вещество (атомы водорода и гелия с их изотопами). Эти три субстанции почти не взаимодействовали между собой. В сложившихся к тому времени условиях ни одно из четырех фундаментальных взаимодействий не могло, как это было раньше при высоких температурах вещества, обеспечить протекания во Вселенной процессов нарастания сложности и упорядоченности вещества и его структур. Казалось бы, что в перспективе остается дальнейшее расширение и остывание Вселенной, завершающееся образованием "лептонной пустыни", что эквивалентно "тепловой смерти" недавнего прошлого. В развитии наступил явный кризис. Ни один из существующих сценариев развития не в состоянии предсказать возможный выход из него, так как простая экстраполяция сценариев в будущее приводит к выводу о неизбежной "фотонно-лептонной смерти" системы. Но выход из кризиса система нашла, им стал ее переход в новое структурное состояние и этой теме будет посвящен следующий раздел книги.

На рубеже первичного нуклеосинтеза произошло резкое изменение масштаба времени протекания событий. На самых ранних стадиях развития Вселенной усложнение вещества свершалось с неуловимой для нашего восприятия стремительностью. Лишь теоретики с помощью созданного ими "расчетного хронометра" отслеживали на бумаге мгновения протекавших этапов. Начиная же с первичного нуклеосинтеза счет времени начал соизмеряться с возможностями наших ощущений. Последующее развитие проходило еще более неторопливо, на каждый новый этап расходовались сотни тысяч и более лет.

Первичный нуклеосинтез сформировал водородно-гелиевую Вселенную. Относительное содержание в ней водорода, гелия и их изотопов есть закономерный результат конкретного процесса и условий, в которых протекал нуклеосинтез. Существует несколько вариантов теоретических оценок соотношения водорода и гелия в конце нуклеосинтеза. Выбрать среди них предпочтительный вариант можно лишь на основе точного знания такого соотношения, полученного из наблюдательных данных. Но наука сегодняшнего дня такими данными не располагает. Нам приблизительно известно соотношение легких элементов в наблюдаемой Вселенной в современную эпоху, но прямая их экстраполяция через полтора десятка минувших миллиардов лет к фазе завершения нуклеосинтеза невозможна.

В этой ситуации астрофизики заинтересовались сведениями о концентрации дейтерия во Вселенной наших дней, поскольку есть основания полагать, что концентрация дейтерия оставалась относительно стабильной на протяжении всей истории, начиная от его появления в процессе первичного нуклеосинтеза. Этот параметр может служить чувствительным индикатором для оценки справедливости тех или иных сценариев развития [23]. По современным оценкам концентрация дейтерия в межзвездной среде лежит в пределах от 0,001 до 0,003%. Согласно расчетам, такой выход дейтерия в нуклеосинтезе мог иметь место при условии, что плотность барионного вещества r_в была существенно меньше критической плотности r_к, а именно, r_в/r_к~0,03. Более того, никакая модель развития Вселенной не может претендовать на достоверность, если в ее рамках расчетный выход дейтерия окажется за пределами примерно 0,003%.

Известно, что условие r/r_к <1 определяет преобладание гравитационной энергии над кинетической энергией "разбегающихся" частиц, и в этом случае система со временем перейдет от расширения к сжатию. Означает ли полученный результат, что Вселенная закрыта, что она является системой с циклической сменой периодов расширения и сжатия? Такое утверждение было бы преждевременным. Наука располагает данными, согласно которым барионное (иначе говоря, атомарное) вещество не определяет наблюдаемое во Вселенной тяготение. Напротив, не менее 90% тяготеющей массы Вселенной имеет небарионную природу. В этой связи возникла проблема, вызывающая головную боль у астрономов, это так называемая проблема скрытой массы.

Тяготеющую массу галактики можно определить двумя способами. Во-первых, просуммировав массы светящихся объектов – звезд, и добавив к сумме оцененные массы газовых и пылевых туманностей, потухших звезд и даже предполагаемых черных дыр, получим значение барионной массы галактики. Другой способ основан на динамических определениях силы притяжения галактики по измеренным скоростям движения газовых облаков или маленьких спутниковых галактик на ее периферии. Эти два способа дают разные результаты, отличающиеся на порядок величины. Следовательно, тяготеющая масса галактики на порядок больше ее барионной массы. Приведу опубликованные результаты последних динамических измерений. Группа итальянских астрофизиков из Болоньи исследовала распределение тяготеющей массы у нашей ближайшей соседки – спиральной галактики в созвездии Андромеды. Ее диаметр примерно равен 30 кпс. Определено, что в пределах 16 кпс от центра масса находящихся там объектов равна 3,2 * 10¹¹ солнечных масс, что соответствует содержащемуся в этой области количеству звездного (барионного) вещества. Но у края галактики, на расстоянии 26 кпс от центра, динамическая масса возрастает до 1,2 * 10¹² солнечных масс, причем в промежутке между двумя областями объекты с барионной массой практически отсутствуют. Это может означать, что на периферии галактики существует темное гало, содержащее неизвестные объекты небарионной природы, масса которых на порядок превосходит суммарную массу ее барионного вещества.

В ноябре 1993 года на телескопе обсерватории Ла Силла в Чили проведены измерения скрытой массы на периферии гигантской эллиптической галактики NGC1399, удаленной от нас на расстояние 50 миллионов световых лет, путем определения скорости движения расположенных там светящихся газовых облаков (планетарные туманности). Важно отметить, что эллиптические галактики – это принципиально другой тип галактик по сравнению со спиральной галактикой в созвездии Андромеды или похожей на нее нашей галактикой. На периферии исследовавшейся галактики были измерены скорости движения 37 планетарных туманностей. Это была очень сложная, тонкая работа. Оцененная масса галактики оказалась в 10 раз больше суммарной массы всех ее звезд.

Наблюдательные данные подтверждают существование скрытой массы на периферии нашей Галактики, как и всех тех, у которых проводились подобные оценки. Это позволяет утверждать, что присутствие скрытой массы в нашем Мире является установленным фактом, и что эта масса господствует во Вселенной, превосходя барионную примерно в 10 раз. К этому остается добавить, что нам неизвестно, какова величина скрытой массы в межгалактических просторах, а она может быть очень значительной. С учетом скрытой массы можно уверенно рассматривать гипотезу об изначальном равенстве гравитационной и кинетической энергий во Вселенной, то есть о выполнении условия r/r_к = 1. Сегодня у астрономов нет сомнения, что средняя тяготеющая масса во Вселенной либо немного меньше, либо немного больше, либо равна критической массе. Но возникает вопрос о природе скрытой массы и о том, какую роль она играла в процессах, протекавших в ранней Вселенной. Ответ пока отсутствует.

Гипотеза Горячей Вселенной или Большого Взрыва, рассмотренная в этом разделе книги, считается одной из наиболее продуктивных. Научная гипотеза – это не фантазия, а предположение, основывающееся на сегодняшнем знании. Детализация гипотезы ведет к определенным выводам, часть из которых уже теперь можно проверить на материале наблюдений за исследуемым объектом. Если данные наблюдений согласуются с выводами гипотезы, то гипотеза становится основой для создания новой теории.
Каковы видимые достоинства гипотезы Большого Взрыва? Она естественным образом объясняет тот факт, что Вселенная на 98% состоит из водорода и гелия и что в этой смеси элементов содержание гелия лежит в интервале от 22 до 28%. Гипотеза позволила теоретикам выделить основные фазы развития ранней Вселенной и расчетным путем оценить продолжительность каждой фазы, выявив те изменения, которые на их протяжении происходили с вакуумом, с формами вещества и процессами взаимодействия между этими формами. Наконец, подтвердилось предсказание гипотезы о существовании реликтового излучения, этого следа Большого Взрыва, и о тех изменениях, которые произошли с этим заполняющим Вселенную излучением за прошедшие миллиарды лет.

Но вопрос о рождении Вселенной нельзя считать закрытым. Новые знания, возможно, уточнят или даже внесут заметные изменения в гипотезу "начала". Однако, возможные изменения не опровергнут того, что мы имеем дело с направленно развивающейся Вселенной.