Космические тела

Каковы же физические свойства «чёрных дыр» и как учёные предполагают обнаружить эти объекты? Многие учёные раздумывали над этими вопросами; получены кое-какие ответы, которые способны помочь в поисках таких объектов.

Само название - чёрные дыры - говорит о том, что это класс объектов, которые нельзя увидеть. Их гравитационное поле настолько сильно, что если бы каким-то путём удалось оказаться вблизи чёрной дыры и направить в сторону от её поверхности луч самого мощного прожектора, то увидеть этот прожектор было бы нельзя даже с расстояния, не превышающего расстояние от Земли до Солнца. Действительно, даже если бы мы смогли сконцентрировать весь свет Солнца в этом мощном прожекторе, мы не увидели бы его, так как свет не смог бы преодолеть воздействие на него гравитационного поля чёрной дыры и покинуть её поверхность. Именно поэтому такая поверхность называется абсолютным горизонтом событий. Она представляет собой границу чёрной дыры.

Учёные отмечают, что эти необычные объекты нелегко понять, оставаясь в рамках законов тяготения Ньютона. Вблизи поверхности чёрной дыры гравитация столь сильна, что привычные ньютоновские законы перестают здесь действовать. Их следует заменить законами общей теории относительности Эйнштейна. Согласно одному из трёх следствий теории Эйнштейна, покидая массивное тело, свет должен испытывать красное смещение, так как он должен испытывать красное смещение, так как он теряет энергию на преодоление гравитационного поля звезды. Излучение, приходящее от плотной звезды, подобной белому карлику - спутнику Сириуса А, - лишь слегка смещается в красную область спектра. Чем плотнее звезда, тем больше это смещение, так что от сверхплотной звезды совсем не будет приходить излучения в видимой области спектра. Но если гравитационное действие звезды увеличивается в результате её сжатия, то силы тяготения оказываются настолько велики, что свет вообще не может покинуть звезду. Таким образом, для любого наблюдателя возможность увидеть чёрную дыру полностью исключена! Но тогда естественно возникает вопрос: если она невидима, то, как же мы можем её обнаружить? Чтобы ответить на этот вопрос, учёные прибегают к искусным уловкам. Руффини и Уиллер досконально изучили эту проблему и предложили несколько способов пусть не увидеть, но хотя бы обнаружить чёрную дыру. Начнём с того, что, когда чёрная дыра рождается в процессе гравитационного коллапса, она должна излучать гравитационные волны, которые могли бы пересекать пространство со скоростью света и на короткое время искажать геометрию пространства вблизи Земли. Это искажение проявилось бы в виде гравитационных волн, действующих одновременно на одинаковые инструменты, установленные на земной поверхности на значительных расстояниях друг от друга. Гравитационное излучение могло бы приходить от звёзд, испытывающих гравитационный коллапс. Если в течение обычной жизни звезда вращалась, то, сжимаясь и становясь, всё меньше и меньше, она будет вращаться всё быстрее, сохраняя свой момент количества движения. Наконец она может достигнуть такой стадии, когда скорость движения на её экваторе приблизится к скорости света, то есть к предельно возможной скорости. В этом случае звезда оказалась бы сильно деформированной и могла бы выбросить часть вещества. При такой деформации энергия могла бы уходить от звезды в виде гравитационных волн с частотой порядка тысячи колебаний в секунду (1000 Гц).

Дж. Вебер установил ловушки гравитационных волн в Аргоннской национальной лаборатории вблизи Чикаго и в Мэрилендском университете. Они состояли из массивных алюминиевых цилиндров, которые должны были колебаться, когда гравитационные волны достигнут Земли. Используемые Вебером детекторы гравитационного излучения реагируют на высокие (1660 Гц), так и на очень низкие (1 колебание в час) частоты. Для детектирования последней частоты используется чувствительный гравиметр, а детектором является сама Земля. Собственная частота квадрупольных колебаний Земли равна одному колебанию за 54 мин.

Все эти устройства должны были срабатывать одновременно в момент, когда гравитационные волны достигнут Земли. Действительно они срабатывали одновременно. Но, к сожалению, ловушки включались слишком часто - примерно раз в месяц, что выглядело весьма странно. Некоторые учёные считают, что хотя опыты Вебера и полученные им результаты интересны, но они недостаточно надёжны. По этой причине многие относятся весьма скептически к идее детектирования гравитационных волн (эксперименты по детектированию гравитационных волн, аналогичные опытам Вебера, позднее были проверены в ряде других лабораторий и не подтвердили результатов Вебера. В настоящее время считается, что опыты Вебера ошибочны).

Роджер Пенроуз, профессор математики Биркбекского колледжа Лондонского университета, рассмотрел любопытный случай коллапса и образования чёрной дыры. Он также допускает, что чёрная дыра исчезает, а затем проявляется в другое время в какой-то иной вселенной. Кроме того, он утверждает, что рождение чёрной дыры во время гравитационного коллапса является важным указанием на то, что с геометрией пространства-времени происходит нечто необычное. Исследования Пенроуза показывают, что коллапс заканчивается образованием сингулярности, то есть он должен продолжаться до нулевых размеров и бесконечной плотности объекта. Последние условие даёт возможность другой вселенной приблизиться к нашей сингулярности, и не исключено, что сингулярность перейдёт в эту новую вселенную. Она даже может появиться в каком-либо другом месте нашей собственной Вселенной.

Некоторые учёные рассматривают образование чёрной дыры как маленькую модель того, что, согласно предсказаниям общей теории относительности, в конечном счете, может случиться с Вселенной. Общепризнанно, что мы живём в неизменно расширяющейся Вселенной, и один из наиболее важных и насущных вопросов науки касается природы Вселенной, её прошлого и будущего. Без сомнения, все современные результаты наблюдений указывают на расширение Вселенной. однако на сегодня один из самых каверзных вопросов таков: замедляется ли скорость этого расширения, и если да, то не сожмётся ли Вселенная через десятки миллиардов лет, образуя сингулярность. По-видимому, когда-нибудь мы сможем выяснить, по какому пути следует Вселенная, но, быть может, много раньше, изучая информацию, которая просачивается при рождении чёрных дыр, и те физические законы, которые управляют их судьбой, мы сможем предсказать окончательную судьбу Вселенной.

Почти всю свою жизнь звезда сохраняет температуру и размер практически постоянными. Значение главной последовательности заключается в том, что большинство обычных звёзд оказываются нормальными, то есть лишёнными каких-либо особенностей. Мы вправе ожидать, что эти звёзды подчиняются определённым зависимостям, подобным, например, упомянутой главной последовательности. Большинство звёзд оказываются на этой наклонной линии - главной последовательности, потому, что звезда может прийти на эту линию всего лишь за несколько сотен тысяч лет, а, покинув её, прожить ещё несколько сотен миллионов лет, большинство звёзд заведомо остаётся на главной последовательности в течение миллиардов лет. Рождение и смерть - ничтожно малые мгновенья в жизни звезды. Наше Солнце, являющееся обычной звездой, находится на этой последовательности уже в течение 5-6 млрд. лет и, по-видимому, проведёт на ней ещё столько же времени, так как звёзды с такой массой и таким химическим составом, как у Солнца, живут 10-12 млрд. лет. Звёзды много меньшей массы находятся на главной последовательности примерно 50 млрд. лет. Если же масса звезды в 30 раз превосходит солнечную, то время её пребывания на главной последовательности составит всего около 1 млн. лет.

Вернёмся к рассмотрению процессов, происходящих при рождении звезды: она продолжает сжиматься, сжатие сопровождается возрастанием температуры. Температура ползёт вверх, и вот огромный газовый шар начинает светиться, его уже можно наблюдать на фоне тёмного ночного неба как тусклый красноватый диск. Значительная доля энергии его излучения по-прежнему приходится на инфракрасную область спектра. Но это ещё не звезда. По мере того как вещество протозвезды уплотняется, оно всё быстрее падает к центру, разогревая ядро звезды до более высоких температур. Наконец температура достигает 10 млн. К, и тогда начинают протекать термоядерные реакции - источник энергии всех звёзд во Вселенной. Как только термоядерные процессы включаются в действие, космическое тело превращается в полноценную звезду.

Сжимаясь, пыль и газ образуют протозвезду; её вещество представляет собой типичный образец вещества окружающей нас части космического пространства. Говоря об образце вещества Вселенной, мы подразумеваем, что этот кусочек межзвездной среды на 89% состоит из водорода, на 10%-из гелия; такие элементы, как кислород, азот, углерод, неон и т. п. составляют в нём менее 1%, а все металлы, вместе взятые, - не более 0,25%. Таким образом, звезда в основном состоит из тех элементов, которые чаще всего встречаются во Вселенной. И поскольку богаче всего во Вселенной представлен водород, то, конечно, любые термоядерные реакции должны протекать с его участием.

Кое-где встречаются уголки космического пространства с повышенным содержанием тяжёлых элементов, но это лишь местные аномалии - остатки давних звёздных взрывов, разбросавших и рассеявших в окрестности тяжёлые элементы. Мы не будем останавливаться на таких аномальных областях с повышенной концентрацией тяжёлых элементов, а сосредоточим внимание на звёздах, состоящих в основном из водорода.

Когда температура в центре протозвезды достигает 10 млн. К, начинаются сложные (но детально изученные) термоядерные реакции, в ходе которых из ядер водорода (протонов) образуются ядра гелия; каждые четыре протона, объединяясь, создают атом гелия. Сначала, когда соединяются друг с другом два протона, возникает атом тяжёлого водорода, или дейтерия. Затем последний сталкивается с третьим протоном, и в результате реакции рождается лёгкий изотоп гелия, содержащий два протона и один нейтрон.

В сумятице, которая царит в ядре звезды, быстро движущиеся атомы лёгкого гелия иногда сталкиваются друг с другом, в результате чего появляется атом обычного гелия, состоящий из двух протонов и двух нейтронов. Два лишних протона возвращаются обратно в горячую смесь, чтобы когда-нибудь опять вступить в реакцию, порождающую гелий. В этом процессе около 0,7% массы превращается в энергию. Описанная цепочка реакций - один из важных термоядерных циклов, протекающих в ядрах звёзд при температуре около 10 млн. К. Некоторые астрономы считают, что при более низких температурах могут протекать другие реакции, в которых участвуют литий, бериллий и бор. Но они тут же делают оговорку, что если такие реакции и имеют место, то их относительный вклад в генерацию энергии незначителен.

Когда температура в недрах звезды снова увеличивается, в действие вступает ещё одна важная реакция, в которой в качестве катализатора участвует углерод. Начавшись с водорода и углерода-12, такая реакция приводит к образованию азота-13, который спонтанно распадается на углерод-13 - изотоп углерода, более тяжёлый, чем тот, с которого реакция начиналась. Углерод-13 захватывает ещё один протон, превращаясь в азот-14. Последний подобным же путём становится кислородом-15. Этот элемент также неустойчив и в результате спонтанного распада превращается в азот-15. И, наконец, азот-15, присоединив к себе четвёртый протон, распадается на углерод-12 и гелий.

Таким образом, побочным продуктом этих термоядерных реакций является углерод-12, который может вновь положить начало реакциям данного типа. Объединение четырёх протонов приводит к образованию одного атома гелия, а разница в массе четырёх протонов и одного атома гелия, составляющая около 0,7% от первоначальной массы, проявляется в виде энергии излучения звезды. На Солнце каждую секунду 564 млн. т водорода превращается в 560 млн. т гелия, а разница - 4 млн. т вещества - превращается в энергию и излучается в пространство. Важно, что механизм генерации энергии в звезде зависит от температуры.

Именно температура ядра звезды определяет скорость процессов. Астрономы считают, что при температуре около 13 млн. К углеродный цикл относительно несущественен. Следовательно, при такой температуре преобладает протон - протонный цикл. При увеличении температуры до 16 млн. К, вероятно, оба цикла дают равный вклад в процесс генерации энергии. Когда же температура ядра поднимается выше 20 млн. К, преобладающим становится углеродный цикл.

Как только энергия звезды начинает обеспечиваться за счёт ядерных реакций, гравитационное сжатие, с которого начался весь процесс, прекращается. Теперь самоподдерживающаяся реакция может продолжаться в течение времени, длительность которого зависит от начальной массы звезды и составляет примерно от 1 млн. лет до 100 млрд. лет и больше. Именно в этот период звезда достигает главной последовательности и начинает свою долгую жизнь, протекающую почти без изменений. Целую вечность проводит звезда в этой стадии. Ничего особенного с ней не происходит, она не привлекает к себе пристального внимания. Теперь это всего-навсего полноценный член звёздной колонии, затерянный среди множества собратьев.

Однако процессы, протекающие в ядре звезды, несут в себе зародыши её грядущего разрушения. Когда дерево или уголь сгорают в камине, выделяется тепло, а в качестве продуктов отхода образуются дым и зола. В "камине" звёздного ядра водород - это уголь, а гелий - зола. Если из камина время от времени не удалять золу, то она может забить его и огонь потухнет.

Если в ядре звезды вещество не перемешивается, в термоядерных реакциях начинают принимать участие слои, непосредственно примыкающие к гелиевому ядру, что обеспечивает звезду энергией. Однако со временем запасы водорода в этих слоях иссякают, и ядро разрастается всё больше и больше. Наконец достигается состояние, когда в ядре совсем не остаётся водорода. Обычные реакции превращения водорода в гелий прекращаются; звезда покидает главную последовательность и вступает в сравнительно короткий (но интересный) отрезок своего жизненного пути, отмеченный необычайно бурными реакциями.

Когда водорода становится мало, и он больше не может участвовать в реакциях, источник энергии иссякает. Но, как мы уже знаем, звезда представляет собой тонко сбалансированный механизм, в котором давление, раздувающее звезду изнутри, полностью уравновешено гравитационным притяжением. Следовательно, когда генерация энергии ослабевает, давление излучения резко падает, и силы тяготения начинают сжимать звезду. Снова происходит падение вещества к её центру, во многом напоминающее то, с которого началось рождение протозвезды. Энергия, возникающая при гравитационном сжатии, намного больше энергии, выделяемой теперь в ядерных реакциях, а раз так, то звезда начинает быстро сжиматься. В результате верхние слои звезды нагреваются, она снова расширяется и растёт в размерах до тех пор, пока внешние слои не станут достаточно разреженными, лучше пропускающими излучение звезды. Полагают, что звезда типа Солнца может увеличиться настолько, что заполнит орбиту Меркурия. После того как звезда начинает расширяться, она покидает главную последовательность и, как мы уже видели, дни её теперь сочтены. С этого момента жизнь звезды начинает клониться к закату.

Когда звезда сжимается, за счёт работы сил тяготения выделяется огромная энергия, которая раздувает звезду. Казалось бы, это должно привести к падению температуры в ядре. Но это не так. Против ожидания температура в ядре звезды резко возрастает. В относительно тонком слое вокруг ядра всё ещё происходит обычное ядерное выгорание водорода, что приводит к увеличению содержания гелия в ядре. Когда в ядре концентрируется около половины массы звезды, последняя расширяется до своего максимального размера и её цвет из белого становится жёлтым, а затем красным, так как температура поверхности звезды уменьшается. Теперь звезда вступает в новую фазу. Температура ядра растёт до тех пор, пока не превысит 200 млн. К. При такой температуре начинает выгорать гелий, в результате чего образуется углерод. Три ядра гелия, сливаясь, превращаются в ядро углерода, который оказывается более лёгким, чем три исходных ядра гелия, поэтому такая реакция также идёт с выделением энергии. Снова давление радиации, которое играло столь важную роль, когда звезда находилась на главной последовательности, начинает противодействовать тяготению, и ядро звезды опять удерживается от дальнейшего сжатия. Звезда возвращается к обычным размерам; по мере того как это происходит, температура её поверхности растет, и она из красной становится белой.

В этот момент по некоторым загадочным причинам звезда оказывается неустойчивой. Астрономы полагают, что переменные звёзды, то есть звёзды, периодически меняющие свою светимость, возникают на этой стадии звёздной эволюции, так как процесс сжатия происходит не гладко, и на некоторых его этапах возникают ритмические колебания звезды. На этой стадии звезда может пройти через фазу новой, в течение которой она внезапно выбрасывает в межзвёздное пространство значительное количество вещества; оно, принимая вид расширяющейся оболочки, может содержать значительную часть массы звезды. Вспышки некоторых новых многократно повторяются, и это означает, что одной вспышки недостаточно, чтобы звезда достигла устойчивости. Но со временем она приобретает устойчивость, колебания исчезают, звезда начинает свой длинный путь к звёздному кладбищу. Даже на этой стадии звезда ещё способна к активности. Она может стать сверхновой. Причина, по которой звезда оказывается способной на такую активность, обусловлена количеством вещества, оставшимся у неё к этой стадии.

Когда мы обсуждали процессы, протекающие в недрах звезды, мы говорили, что основным продуктом ядерных реакций является гелий. По мере того как перерабатывается всё больше и больше водорода, растёт гелиевое ядро звезды. Водород исчезает, следовательно, энерговыделение за счёт этого источника также прекращается. Но при температуре около 200 млн. К открывается ещё один путь, следуя которому гелий порождает более тяжёлые элементы, и в этом процессе выделяется энергия. Два атома гелия соединяются, образуя атом бериллия, который обычно вновь распадается на атомы гелия. Однако температуры и скорости реакций столь высоки, что, прежде чем происходит распад бериллия, к нему присоединяется третий атом гелия и образуется атом углерода.

Но процесс не останавливается, так как теперь атомы гелия, бомбардируя углерод, порождают кислород, бомбардируя кислород, дают неон, а, бомбардируя неон, производят магний. На этой стадии температура ядра ещё слишком низка для образования более тяжёлых элементов. Ядро опять сжимается, и так продолжается до тех пор, пока температура не достигнет величины порядка миллиарда градусов и не начнётся синтез более тяжёлых элементов. Если в результате дальнейшего сжатия ядра температура поднимается до 3 млрд. К, тяжёлые ядра взаимодействуют друг с другом до тех пор, пока не образуется железо. Процесс останавливается. Если атомы гелия будут бомбардировать ядра железа, то вместо образования более тяжёлых элементов произойдёт распад ядер железа.

На этой стадии жизни звезды её ядро состоит из железа, окружённого слоями ядер более лёгких элементов вплоть до гелия, а тонкий наружный слой образован водородом, который ещё обеспечивает некоторое количество энергии. Наконец наступает время, когда водород оказывается полностью израсходованным и этот источник энергии иссякает. Перестают также действовать и другие механизмы генерации энергии; звезда лишается всяких средств для воспроизводства своих энергетических запасов. Это означает, что она должна умереть. Теперь, исчерпав запасы ядерной энергии, звезда может только сжиматься и использовать гравитационную энергию, чтобы поддержать своё свечение. Звезда будет сжиматься и ярко светиться. Когда же и эта энергия иссякнет, звезда начинает изменять свой цвет от белого к жёлтому, затем к красному; наконец она перестаёт излучать и начинает непрерывное путешествие в необозримом космическом пространстве в виде маленького тёмного безжизненного объекта. Но на пути к угасанию обычная звезда проходит стадию белого карлика.

Квазары и пульсары

Во Вселенной существует не малое количество объектов, заслуживающих к себе внимания своим необычным поведением. Дело в том, что в середине XX века с развитием лабораторной техники в космосе стали обнаруживаться объекты посылающие в пространство периодические импульсы в оптическом, радиоволновом и рентгеновском спектрах. Это были пульсары.

Пульсары были открыты в июне 1967 г. Джоселин Белл, аспирантом Э.Хьюиша. За этот выдающийся результат Хьюиш получил в 1974 году нобелевскую премию. Результаты наблюдений были засекречены на полгода. Это было связано с предположением искусственности строго периодических импульсов радиоизлучения. Пульсар, представляет собой нейтронную звезду. Она испускает узконаправленные потоки излучения. В результате вращения нейтронной звезды поток попадает в поле зрения внешнего наблюдателя через равные промежутки времени -- так образуются импульсы пульсара.

Каким же образом пульсары излучают электромагнитные волны? При сжатии звезды увеличивается не только её плотность. При коллапсе огромной массивной звезды до размеров порядка нескольких десятков километров период вращения уменьшается до сотых и даже тысячных долей секунды, т. е. до характерных периодов переменности пульсаров. Помимо этого сильно уплотняется и магнитное поле звезды.

На поверхности нейтронной звезды, где давление не столь велико как в центре, нейтроны могут опять распадаться на протоны и электроны. Сильное магнитное поле разгоняет электроны до скоростей, близких к скорости света, и выбрасывает их в околозвёздное пространство. Заряженные частицы движутся только вдоль магнитных силовых линий, поэтому электроны покидают звезду именно от её магнитных полюсов, где силовые линии выходят наружу. Перемещаясь вдоль силовых линий, электроны испускают излучение в направлении своего движения. Это излучение представляет собой два узких пучка электромагнитных волн.

Во внешнем слое нейтронной звезды происходят и другие необычные явления. Там, где плотность вещества ещё недостаточно велика для разрушения ядер, они могут образовывать кристаллическую структуру. И звезда покрывается жёсткой коркой, подобной земной коре, но только в невообразимое число раз плотнее. При замедлении вращения пульсара в этой твердой корке создаются напряжения. После того, как они достигнут определенной величины, корка начинает раскалываться. Это явление называется звездотрясением по аналогии с земными тектоническими процессами. Возможно, такими звездотрясениями объясняются скачкообразные изменения периодов некоторых пульсаров.

Несколько похоже проявляют себя "новые" звезды - звёзды, светимость которых внезапно увеличивается в несколько тысяч раз. Все новые звёзды являются тесными двойными системами, состоящими из белого карлика и звезды-компаньона. В таких системах происходит перетекание вещества внешних слоев звезды-компаньона на белый карлик, перетекающее вещество образует вокруг белого карлика аккреционный диск, скорость аккреции на белый карлик постоянна и определяется параметрами звезды-компаньона и отношением масс звёзд - компонентов двойной системы. Газ, попадающий на белый карлик на 90% состоит из водорода. По мере накопления газа он начинает нагреваться и в какой-то момент в этом газе начинают идти термоядерные реакции. Из-за особенностей взаимодействия двух звезд скорость термоядерной реакции быстро увеличивается, а с ней растет и температура. В результате этого формируется ударная волна выбрасывающая остатки водорода в космос.

Вскоре после вспышки начинается новый цикл аккреции на белый карлик и накопления водородного слоя и, через некоторое время, определяемое темпами аккреции и свойствами белого карлика, вспышка повторяется. Интервал между вспышками составляет от десятков до тысяч лет.

Несмотря на все паразительность пульсаров и новых звезд, пожалуй, самими загадочными из подобных являются квазары. Квазары это класс внегалактических объектов, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от -- звёзд.

Впервые квазары обнаружили в 1960 году как мощные радиоисточники. Очень сложно определить точное число обнаруженных на сегодняшний день квазаров. Это объясняется, с одной стороны, постоянным открытием новых квазаров, а с другой -- некоторой размытостью границы между квазарами и некоторыми типами активных Галактик. В 2005 году группа астрономов использовала в своём исследовании данные о 195 000 квазаров.

Ближайший и наиболее яркий квазар находится на расстоянии около 2 млрд световых лет, а самые далёкие квазары, благодаря своей гигантской светимости, превосходящей в сотни раз светимость нормальных Галактик, видны на расстоянии более 10 млрд световых лет. Нерегулярная переменность блеска квазаров на временных масштабах менее суток указывает на то, что область генерации их излучения имеет малый размер, сравнимый с размером Солнечной системы.

Внятного ответа на вопрос, что же такое квазары пока нет. Разумеется, существует множество теорий, но на сегодняшний день нет ни одной состоятельной из них.

Сценарий Большого взрыва

Как и любая схема, претендующая на объяснение данных о спектре микроволнового космического излучения, химического состава догалактического 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 этой модели выступает предположение об однородности и изотропии свойств Вселенной на протяжении всех этапов ее эволюции.

Кроме того, основываясь на данных о спектре микроволнового излучения, естественно предположить, что во Вселенной в прошлом существовало состояние термодинамического равновесия между плазмой и излучением, температура которого была высока. Наконец, экстраполируя в прошлое законы возрастания плотностей вещества и энергии излучения, нам придется предположить, что уже при температуре плазмы, близкой к 1010 К, в ней, существовали протоны и нейтроны, которые были 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 в этих условиях произошли бы качественные изменения состава материи, связанные, в частности, с кварковой структуры нуклонов. Этот период, предшествующий этапу с температурой около 1012 К, естественно отнести к сверх ранним стадиям расширения Вселенной, о которых, к сожалению, в настоящее время известно еще очень мало.

Дело в том, что по мере углубления в прошлое Вселенной мы неизбежно сталкиваемся с необходимостью описывать процессы взаимопревращений элементарных частиц со все большей и большей энергией, в десятки и даже тысячи раз превышающей порог энергий, доступных исследованию на самых мощный современных ускорителях. В подобной ситуации, очевидно, возникает целый комплекс проблем, связанных, во-первых, с нашим незнанием новых типов частиц, рождающихся в условиях высоких плотностей плазмы, а во-вторых, с отсутствием «надежной» теории, позволившей бы предсказать основные характеристики космологического субстрата в этот период.

Однако даже не зная в деталях конкретных свойств сверхплотной плазмы при высоких температурах, можно предположить, что, начиная с температуры чуть меньше, 1012 К ее характеристики удовлетворяли условиям, Перечисленным в начале этого раздела. Иначе говоря, при температуре около 1012 К материя во Вселенной была представлена электрон-позитронными парами (е -, е+); мюонами и антимюонами (м -, м+); нейтрино и антинейтрино, как электронными (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 состояние термодинамического равновесия, которое, однако, изменилось по мере расширения Вселенной для различных типов частиц. При температурах меньше 1012 К первыми это «почувствовали» мюон-антимюонные пары, энергия покоя которых составляет примерно 106 МэВ8. Затем уже при температуре порядка 5.109 К аннигиляция электрон-позитронных пар стала преобладать над процессами их рождения при взаимодействии фотонов, что в конечном итоге привело к качественному изменению состава плазмы.

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

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

Таким образом, весь избыток энергии мюонов после их аннигиляции перераспределится между различными компонентами плазмы. Подобная «перекачка» энергии массивных частиц ко все более легким должна была осуществляться лишь до тех пор, пока не стали аннигилировать самые легкие заряженные лептоны - электроны и позитроны, которые в последний раз «подогрели» излучение при температуре около 5.109 К. После этот момента доминирующую роль в расширении Вселенной играло электромагнитное излучение, и лептонная эра «температурной» истории космической плазмы сменилась эрой преобладания радиации.

Фактически именно в этот период при температурах плазмы около 5.109 К произошло формирование равновесного спектра электромагнитного излучения, дошедшего до нас в форме микроволнового реликтового фона. Именно в ходе аннигиляции электрон-позитронных пар практически вся энергия, запасенная в этом компоненте, была передана электромагнитному излучению, плотность энергии которого увеличилась. Оставшиеся от эпохи аннигиляции электроны, сталкиваясь с квантами излучения, участвовали в обмене энергией между подсистемами плазмы. Кроме того, столкновения электронов с протонами сопровождались высвечиванием квантов, в результате чего спектр электромагнитного излучения должен был стать характерным для равновесного распределения.

Уже в конце эпохи доминирования радиации при температурах, близких к 104 К, взаимодействие свободных электронов с протонами сопровождалось образованием атомов водорода и уменьшением доли свободных носителей электрического заряда. При этом рассеяние квантов на электронах становилось все менее эффективным и, наконец, начиная с периода, характерного падением температуры ниже 3000 К, распространение фотонов осуществлялось практически свободно. Температура электромагнитного излучения после его отделения от плазмы уменьшалась лишь вследствие расширения Вселенной, которое смещало 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 основные характеристики космологической плазмы. Однако помимо фона микроволнового излучения, до нас должен был дойти еще один «отзвук» радиационно доминированной эры расширения Вселенной. Речь идет о ядрах и изотопах легких химических элементов, образование которых в рамках модели Большого взрыва должно было произойти примерно за миллион лет до эпохи отделения вещества от излучения.

История вопроса о происхождении химических элементов восходит к пионерским работам основоположника теории «горячей Вселенной» Г. А. Гамова. Задача, которую ставили перед собой Г. А. Гамов и его сотрудники в конце 40-х годов нашего столетия, с позиций сегодняшнего дня представляется неразрешимой. Авторы надеялись с помощью процессов слияния протонов и нейтронов в ядра химических элементов объяснить происхождение практически всех элементов таблицы Менделеева еще на ранних этапах расширения Вселенной. В те годы, когда ядерная физика делала буквально первые шаги, еще не было известно, что в природе не существует стабильных ядер с атомными весами А=5 и А=8, и цепочка последовательных 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 был составлять лишь несколько миллиардов лет, т.е. столько же, сколько, согласно геологическим данным, «живет» Земля. Поэтому казалось, что все химические элементы «от мала до велика» должны были сформироваться в едином процессе космологического нуклеосинтеза, если, конечно, предполагать, что Вселенная в прошлом была горячей. Г.А. Гамов предсказал и современную температуру реликтового излучения - порядка 5 К, как видим, значение, весьма близкое к действительности.

На самом же деле, из-за того что возраст Метагалактики на порядок больше, чем предлагал Г.А. Гамов, термоядерном котле горячей Вселенной успели бы «сварится» только самые легкие элементы (до гелия, а возможно, до лития включительно). Затем температура упала вследствие расширения настолько, что дальнейший синтез элементов должен был остановиться. Более тяжелые элементы, как теперь предполагают, образовались в термоядерных реакциях в недрах звезд, и при вспышках Сверхновых.

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

Оказывается, одну из главных ролей в этом процессе играли реакции слабого взаимодействия электронных нейтрино и антинейтрино с протонами и нейтронами. Еще на лептонной эре расширения Вселенной при температуре выше 1010 К столкновения нейтрино vе, vе с протонами р и нейтронами n эффективно перемешивали эти частицы в реакциях.

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

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

На рис. 3 для иллюстрации динамики космологического нуклеосинтеза приведена зависимость массовых концентраций легких химических элементов от температуры плазмы. Как видно, уже при температуре 5.107 К сформировался практически весь первичный химический состав вещества: около 23 - 26% нуклонов связалось в ядра 4Не; 74 - 77% по массе составляет водород и лишь 0,01 - 0,0001% -дейтерий, гелий-3 и тритий. Заслуживает внимания то обстоятельство, что распространенность дейтерия во Вселенной весьма чувствительна к современной плотности вещества. При изменении рm(0) от 1,4.10-31 до 7.1030 г/см3 его относительная концентрация (2Н/Н) уменьшается практически на семь порядков. В меньшей мере от величины современной плотности барионов зависит массовое содержание 4Не, однако, и оно возрастает примерно в 2 раза.

Этой особенностью можно воспользоваться для предсказания сегодняшней плотности вещества во Вселенной, если известна наблюдаемая распространенность космических гелия-4 и дейтерия. Однако значительным препятствием на пути реализации этой программы является искажение первичного химического состава вещества на стадии существования галактик и звезд. Например, в Солнечной системе измерения дают примерно 20 - 26%-ную вариацию массовой концентрации 4Не относительно водорода. В солнечном ветре эта величина колеблется еще значительнее - от 15 до 30% .

Спектроскопические измерения линий поглощения и эмиссии гелия в атмосферах, ближайших к Солнцу звезд, свидетельствуют также о наличии вариаций в его массовой концентрации от 10 до 40 %. Присутствие 4Не обнаруживают 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 4Не для определения величины современной плотности вещества, совместимой с моделью Большого взрыва.

В этом аспекте более информативными оказываются данные, получаемые из сопоставления космологической продукции дейтерия и его современной распространенности в Галактике. В отличие от 4Не этот изотоп лишь выгорает в ходе образования звезд, и, следовательно, сегодня речь может идти лишь об определении нижней границы его плотности массы. Наблюдения линий поглощения атомарного дейтерия в межзвездной среде, а также регистрация излучения молекул HD, DCN показывают, что содержание этого изотопа в Галактике составляет примерно в пределах от 0,001 до 0,00001% от массы водорода. Это соответствует современной плотности вещества рm(0)=1,4.10-31г/см3.

Любопытно, что, помимо объяснения химического состава ранней Метагалактики, теория космологического нуклеосинтеза позволяет получить уникальную информацию о пространственной плотности трудно наблюдаемых частиц, дошедших до эпохи доминирования лептонов от предыдущих этапов космологического расширения. В частности, основываясь на этой теории, можно ограничить число возможных типов нейтрино, которые в последнее время стали объектом пристального внимания космологов.

Еще каких-нибудь 6 - 7 лет назад этот вопрос стоял как бы на втором плане в модели «горячей Вселенной». Считалось, что решающую роль в формировании химического состава догалактического вещества играли электронные нейтрино и антинейтрино и в меньшей степени - мюонные нейтрино Vm, Vm. Эксперимент не давал оснований предполагать, что в природе существуют иные типы слабовзаимодействующих нейтральных лептонов, а космологи предпочитали руководствоваться принципом «бритвы Окаама»: entia non sunt multiplicanda praenter necessitatem(« сущности не должны быть умножаемы сверх необходимости»).

Ситуация в этом вопросе радикально изменилась после открытия в 1975 г. тяжелого заряженного тау-лептона, которому должен был соответствовать новый тип нейтрино - vt. Сейчас уже 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 энергиям порядка 105 МэВ и уже появился новый тип нейтрино. Что кроется за этим порогом энергий? Не ожидает ли нас в будущем катастрофическое увеличение числа 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, vt существовали новые типы нейтрино, энергии покоя которых не превышали бы 30 - 50 эВ, их роль в период космологического нуклеосинтеза свелась бы к увеличению скорости охлаждения плазмы и, следовательно, изменились бы условия образования химических элементов. Впервые подобная роль слабовзаимодействующих частиц в динамике космологического синтеза легких химических элементов была отмечена в 1969 г. советским астрофизиком В.Ф. Шварцманом, и за последнее десятилетие уточнялась лишь количественная сторона вопроса.

Расчеты показывают, что если за верхнюю границу распространенности догалактического гелия-4 принять его массовую концентрацию 25%, то неизбежно следует вывод, что все возможные типы нейтрино в природе уже открыты. С некоторой осторожностью, связанной с недостаточной точностью наблюдательных 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 массы Вселенной.

Итак, в общих чертах мы познакомились с двумя важнейшими эпохами «температурной» истории космологической плазмы, на протяжении которых произошло формирование первичного химического состава вещества и спектра микроволнового реликтового излучения. Однако изложенная выше схема нуждается в существенном дополнении, поскольку в ней не нашел еще отражения факт существования крупномасштабной структуры Вселенной - скоплений и сверхскоплений галактик.

Действительно, после аннигиляции электрон-позитронных пар во Вселенной (T=5.109 К) наиболее распространенным компонентом высокотемпературной космологической плазмы стало электромагнитное излучение, которое после рекомбинации водорода перестало взаимодействовать с веществом. Равновесный характер спектра этого излучения обусловлен существованием продолжительной фазы расширения, когда между фотонами и электронами происходило интенсивное взаимодействие. После рекомбинации водорода и гелия Вселенная должна была оказаться заполненной однородно распределенными веществом и излучением. И сейчас не должно было быть никакой структуры - ни звезд, ни галактик, ни нас. Вполне удручающая картина.

Эти предсказания, очевидно, весьма далеки от наблюдаемого многообразия структурных форм материи во Вселенной. Напрашивается вывод, что для объяснения наблюдаемой структуры, еще на ранних этапах расширения Вселенной должны существовать флуктуации - хотя и малые, но конечные отклонения плотности материи от однородного и изотропного распределения в пространстве.

Список литературы:

«Большие проблемы Большого взрыва» (журнал «Истоки», вып. №1, 1999 г.)

Демин В.Н. «Тайны Вселенной», Москва,. 1998 г.

Дж. Нарликар «Неистовая Вселенная», Москва, изд. «Мир», 1985 г.

Марочник Л.С., Насельский П.Д. «Вселенная: вчера, сегодня, завтра» («Космонавтика, астрономия», вып. № 3,1983 год).

Новиков И.Д. «Эволюция Вселенной», Москва, 1990 г.

Размещено на Allbest.ru