Як і будь-яка схема, що претендує на пояснення даних про спектр мікрохвильового космічного випромінювання, хімічного складу догалактического речовини й ієрархії масштабів космічних структур, стандартна модель еволюції Всесвіту базується на ряді вихідних припущень (про властивості матерії, простору й часу), що грають, роль своєрідних «початкових умов розширення миру. У якості однієї з робочих гіпотез цієї моделі виступає припущення про однорідність і изотропии свій ств Вс еленной протягом всіх етапів її еволюції

Крім того, ґрунтуючись на даних про спектр мікрохвильового випромінювання, природно припустити, що у Всесвіті в минулому існував стан термодинамічної рівноваги між плазмою й випромінюванням, температура якого була висока. Нарешті, екстраполюючи в минуле закони зростання плотностей речовини й енергії випромінювання, нам оведеться припустити, що вже при температурі плазми, близької до 10 10 ДО , у ній, існували протони й нейтрони, які були відповідальні за формування хімічного складу космічної речовини

Очевидно, що подібний комплекс початкових умов» не можна формально екстраполювати на самі ранні етапи розширення Вселеної, коли температура плазми перевищує 10 12 До оскільки в цих умовах відбулися б якісні зміни складу матерії, зв’язані, зокрема, із кварковой структури нуклонів. Цей період, що передує етапу з температурою близько 10 12 ДО , природно віднести до понад раннім стадіям розширення Всесвіту, про які, на жаль, у цей час відомо ще дуже мало.

Справа в тому, що в міру поглиблення в минуле Вселеної ми неминуче зіштовхуємося з необхідністю описувати процеси взаємоперетворень елементарних часток із все більшою й більшою енергією, у десятки й навіть тисячу разів перевищуючий поріг енергій, доступних дослідженню на самих потужний сучасних прискорювачах. У подібній ситуації, мабуть, виникає цілий комплекс проблем, зв’язаних, по-перше, з нашим незнанням нових типів часток, що народжуються в умовах високих плотностей плазми, а по-друге, з відсутністю «надійної» теорії, що дозволила б пророчити основні характеристики космологічного субстрату в цей період

Однак навіть не знаючи в деталях конкретних властивостей сверхплотной плазми при високих температурах, можна припустити, що, починаючи з температури ледве менше, 10 12 До її характеристики задовольняли умовам, Перерахованим на початку цього розділу. Інакше кажучи, при температурі близько 10 12 До матерія у Всесвіті була представлена електрон-позитронними парами (е - , е + ); мюонами й антимюонами (м - , м + ); нейтрино й антинейтрино, як електронними ( v е , v е), так і мюонними ( v м , v м) і тау-нейтрино ( v t , v t ); нуклонами (протонами й нейтронами) і електромагнітним випромінюванням

Взаємодія всіх цих часток забезпечувало в плазмі стан термодинамічної рівноваги, що, однак, змінилося в міру розширення Всесвіту для різних типів часток. При температурах менше 10 12 До першого це «відчули» мюон-антимюонние пари, енергія спокою яких становить приблизно 106 Мев 8 . Потім уже при температурі порядку 5.10 9 До аннигиляция електрон-позитронних пар стала переважати над процесами їхнього народження при взаємодії фотонів, що в остаточному підсумку привело до якісної зміни складу плазми. Починаючи з температур Т<10 9 ДО , основну роль у динаміку розширення Вселеної стали грати електронні, мюонние й тау-нейтрино , а також електромагнітне випромінювання. Як же перерозподілилася енергія, що була «запасена» на лептонній стадії в масивних частках?

Виявляється, вона пішла на «нагрівання» випромінювання, а разом з тим і часток, що перебувають при температурах більше 5.10 9 К у рівновазі з випромінюванням. Дійсно, невелике збільшення щільності фотонів, викликане аннигиляцией мюонів і антимюонів , автоматично приводить до збільшення концентрації електрон-позитронних пар, які взаємодіють із фотонами в реакції Y + Y е - + е + . У свою чергу, електрони й позитрони можуть народжувати пари нейтрино й антинейтрино

Таким чином, весь надлишок енергії мюонів після їх аннигиляции перерозподілиться між різними компонентами плазми. Подібна «перекачування» енергії масивних часток до усе більше легкого повинна була здійснюватися лише доти, поки не стали анігілювати найлегші заряджені лептони - електрони й позитрони, які востаннє «підігріли» випромінювання при температурі близько 5.10 9 ДО. Після цей моменту домінуючу роль у розширенні Всесвіту грало електромагнітне випромінювання, і лептонна ера «температурної» історії космічної плазми змінилася ерою переваги радіації

Фактично саме в цей період при температурах плазми близько 5.10 9 До відбулося формування рівноважного спектра електромагнітного випромінювання, що дійшло до нас у формі мікрохвильового реліктового тла. Саме в ході аннигиляции електрон-позитронних пар практично вся енергія, запасена в цьому компоненті, була передана електромагнітному випромінюванню, щільність енергії якого збільшилася. Оставшиеся від епохи аннигиляции електрони, зіштовхуючись із квантами випромінювання, брали участь в обміні енергією між підсистемами плазми. Крім того, зіткнення електронів із протонами супроводжувалися висвечиванием квантів, у результаті чого спектр електромагнітного випромінювання повинен був стати характерним для рівноважного розподілу

Уже наприкінці епохи домінування радіації при температурах, близьких до 10 4 ДО , взаємодія вільних електронів із протонами супроводжувалося утворенням атомів водню й зменшенням частки вільних носіїв електричного заряду. При цьому розсіювання квантів на електронах ставало усе менш ефективним і, нарешті, починаючи з періоду, характерного спадом температури нижче 3000 ДО , поширення фотонів здійснювалося практично вільно. Температура електромагнітного випромінювання після його відділення від плазми зменшувалася лише внаслідок розширення Всесвіту, що зміщало спектр квантів у міліметровий і сантиметровий діапазони

Цей микроволновий тло є, таким чином, своєрідним відбитком ранніх високотемпературних стадій еволюції Всесвіту - реліктом, що доводить, що в минулому ця підсистема визначала основні характеристики космологічної плазми. Однак крім тла мікрохвильового випромінювання, до нас повинен був дійти ще один «відзвук» радиационно доминированной ери розширення Всесвіту. Мова йде про ядра й ізотопи легких хімічних елементів, утворення яких у рамках моделі Великого вибуху повинне було відбутися приблизно за мільйон років до епохи відділення речовини від випромінювання

Історія питання про походження хімічних елементів сходить до піонерських робіт основоположника теорії «гарячої Вселеної» Г. А. Гамова . Завдання, що ставили перед собою Г. А. Гаморів і його співробітників наприкінці 40-х років нашого сторіччя, з позицій сьогоднішнього дня представляються нерозв’язної. Автори сподівалися за допомогою процесів злиття протонів і нейтронів у ядра хімічних елементів пояснити походження практично всіх елементів таблиці Менделєєва ще на ранніх етапах розширення Всесвіту. У ті роки, коли ядерна фізика робила буквально перші кроки, ще не було відомо, що в природі не існує стабільних ядер з атомними вагами А =5 і А=8, і ланцюжок послідовних приєднань протонів і нейтронів з утворенням дейтерію, гелію-3, тритію й гелію-4 має обрив уже буквально на наступному кроці

Г. А. Гамова надихала ще одна, як тепер ясно, невірна передумова. У ті роки постійну Хаббла вважали в 5 - 10 разів більшої, ніж знаходять зараз. 0тсюда випливало, що вік Метагалактики повинен був становити лише кілька мільярдів років, тобто стільки ж, скільки, згідно з геологічними даними, «живе» Земля. Тому здавалося, що всі хімічні елементи «від мала до велика» повинні були сформуватися в єдиному процесі космологічного нуклеосинтеза , якщо, звичайно, припускати, що Всесвіт у минулому була гарячою. Г. А. Гаморів пророчив і сучасну температуру реліктового випромінювання - порядку 5 ДО, як бачимо, значення, досить близьке кдействительности.

Насправді ж, через те що вік Метагалактики на порядок більше, ніж пропонував Г. А. Гаморів, термоядерному казані гарячого Всесвіту встигли б «зваряться» тільки найлегші елементи (до гелію, а можливо, до літію включно). Потім температура впала внаслідок розширення настільки, що подальший синтез елементів повинен був зупинитися. Більше важкі елементи, як тепер припускають, утворилися в термоядерних реакціях у надрах зірок, і при спалахах Сверхнових.

Pages: 1 2