Як часто траплялося в історії науки, незважаючи, на невірні передумови, Г. А. Гаморів «угадав» гаряче минуле Вселеної, тріумфально підтверджене відкриттям реліктового радиофона . Яким же, образом у високотемпературній плазмі формувався ізотопний склад догалактического речовини?

Виявляється, одну з головних ролей у цьому процесі грали реакції слабкої взаємодії електронних нейтрино й антинейтрино із протонами й нейтронами. Ще на лептонній ері розширення Всесвіту при температурі вище 10 10 До зіткнення нейтрино v е , v е із протонами р і нейтронами n ефективно перемішували ці частки вреакциях.

Починаючи з температури 10 10 ДО , характерний час цих реакцій близько до віку Метагалактики, і вони припиняються. Розрахунки показують, що до цього моменту концентрація нейтронів стала менше концентрації протонів через невелику різницю їхніх енергій спокою

Цей контраст «заморожувався» практично доти, поки температура не зменшилася до 10 9 ДО. Після цього вся послідовність взаємоперетворення нуклонів у ядра 4 Не, 3 Не, 2 Н, 3 Н здійснювалася у два етапи. На першому при температурах плазми порядку 10 9 До відбувалося злиття протонів і нейтронів у ядра дейтерію n+p 2 Н+ Y . Розрахунки показують, що доти, поки практично всі протони й нейтрони не зв’язалися в ядра дейтерії, гелію-3 ( 2 Н+ р 3 Не+ Y ) і тритії ( 2 Н+ n 3 Н+ Y ), синтез 4 Не відбувався вкрай неефективно. Після цього в дію вступили зіткнення ядер дейтерію між собою й з ядрами 3 Н и 3 Не, приведшие до появи ядер гелію-4, причому тривалість етапу синтезу 4 Не вкрай мала

На мал. 3 для ілюстрації динаміки космологічного нуклеосинтеза наведена залежність масових концентрацій легких хімічних елементів від температури плазми. Як видно, уже при температурі 5.10 7 До сформувався практично весь первинний хімічний склад речовини: близько 23 - 26% нуклонів зв’язалося в ядра 4 Не; 74 - 77% по масі становить водень і лише 0,01 - 0,0001% -дейтерій, гелій-3 і тритій. Заслуговує на увагу та обставина, що поширеність дейтерію у Всесвіті досить чутлива до сучасної густини речовини. При зміні р m (0) від 1,4.10 -31 до 7.10 30 г/см 3 його відносна концентрація ( 2 Н/Н) зменшується практично на сім порядків. У меншій мері від величини сучасної щільності баріонів залежить масовий зміст 4 Не, однак, і воно зростає приблизно в 2 рази

Цією особливістю можна скористатися для пророкування сьогоднішньої густини речовини у Всесвіті, якщо відомо спостережувану поширеність космічних гелію-4 і дейтерії. Однак значною перешкодою на шляху реалізації цієї програми є перекручування первинного хімічного складу речовини на стадії існування галактик і зірок. Наприклад, у Сонячній системі виміру дають приблизно 20 - 26%-ную варіацію масової концентрації 4 Не щодо водню. У сонячному вітрі ця величина коливається ще значніше - від 15 до 30% .

Спектроскопічні виміри ліній поглинання й емісії гелію в атмосферах, найближчих до Сонця зірок, свідчать також про наявність варіацій у його масовій концентрації від 10 до 40 %. Присутність 4 Не виявляють і в найбільш старих об’єктах нашої Галактики - кульових скупченнях, де його поширеність коливається від 26 до 28%. Все це, природно, знижує переваги використання даних про галактичний зміст 4 Не для визначення величини сучасної густини речовини, сумісної з моделлю Великого вибуху

У цьому аспекті більше інформативними виявляються дані, одержувані із зіставлення космологічної продукції дейтерію і його сучасної поширеності в Галактиці. На відміну від 4 Не цей ізотоп лише вигорає в ході утворення зірок, і, отже, сьогодні мовлення може йти лише про визначення нижньої границі його щільності маси. Спостереження ліній поглинання атомарного дейтерію в міжзоряному середовищі, а також реєстрація випромінювання молекул H D, DC N показують, що зміст цього ізотопу в Галактиці становить приблизно в межах від 0,001 до 0,00001% від маси водню. Це відповідає сучасній густині речовини р m (0) =1,4.10 -31 г/см 3 .

Цікаво, що, крім пояснення хімічного складу ранньої Метагалактики, теорія космологічного нуклеосинтеза дозволяє одержати унікальну інформацію про просторову щільність важко спостережуваних часток, що дійшли до епохи домінування лептонів від попередніх етапів космологічного розширення. Зокрема, ґрунтуючись на цій теорії, можна обмежити число можливих типів нейтрино, які останнім часом стали об’єктом пильної уваги космологов.

Ще яких-небудь 6 - 7 років тому це питання стояло як би на другому плані в моделі «гарячої Вселеної». Уважалося, що вирішальну роль у формуванні хімічного складу догалактического речовини грали електронні нейтрино й антинейтрино й у меншому ступені - мюонние нейтрино V m , V m . Експеримент не давав підстав припускати, що в природі існують інші типи слабовзаимодействующих нейтральних лептонів, а космологи воліли керуватися принципом «бритви Окаама »: entia non sunt multipli c anda praenter necessitatem (« сутності не повинні бути множені понад необхідність»).

Ситуація в цьому питанні радикально змінилася після відкриття в 1975 р. важкого зарядженого тау-лептона , якому повинен був відповідати новий тип нейтрино - v t . Зараз уже не викликає сумнівів, що сімейство нейтрино поповнилося новим членом, енергія спокою якого не перевищує 250 Мев. Виникла цікава ситуація -з овременние прискорювачі елементарних часток наблизилися лише до енергій порядку 10 5 Мев і вже з’явився новий тип нейтрино. Що криється за цим порогом енергій? Чи не очікує нас у майбутньому катастрофічне збільшення числа членів сімейства лептонів у міру проникнення в глиб мікросвіту?

Виявляється, на це питання модель «гарячої Вселеної» дає цілком певна відповідь. Якби в природі, крім v е , v m , v t існували нові типи нейтрино, енергії спокою яких не перевищували б 30 - 50 еВ, їхня роль у період космологічного нуклеосинтеза звелася б до збільшення швидкості охолодження плазми й, отже, змінилися б умови утворення хімічних елементів. Уперше подібна роль слабовзаимодействующих часток у динаміку космологічного синтезу легких хімічних елементів була відзначена в 1969 р. радянським астрофізиком В. Ф. Шварцманом, і за останнє десятиліття уточнювалася лише кількісна сторона питання

Розрахунки показують, що якщо за верхню границю поширеності догалактического гелію-4 прийняти його масову концентрацію 25%, те неминуче треба висновок, що всі можливі типи нейтрино в природі вже відкриті. З деякою обережністю, пов’язаної з недостатньою точністю спостережливих даних про поширеність космічних 4 Не й 2 Н, можна вважати, що, крім v е , v m , v t існує не більш ще двох типів нових нейтрино. Ця обставина відіграє істотну роль при аналізі проблеми схованої маси Всесвіту

Отже, загалом ми познайомилися із двома найважливішими епохами «температурної» історії космологічної плазми, протягом яких відбулося формування первинного хімічного складу речовини й спектра мікрохвильового реліктового випромінювання. Однак викладена вище схема має потребу в істотному доповненні, оскільки в ній не знайшов ще відбиття факт існування великомасштабної структури Всесвіту - скупчень і сверхскоплений галактик

Дійсно, після аннигиляции електрон-позитронних пар у Вселеної (T=5.10 9 ДО) найпоширенішим компонентом високотемпературної космологічної плазми стало електромагнітне випромінювання, що після рекомбінації водню перестало взаємодіяти з речовиною. Рівноважний характер спектра цього випромінювання обумовлений існуванням тривалої фази розширення, коли між фотонами й електронами відбувалася інтенсивна взаємодія. Після рекомбінації водню й гелію Всесвіт повинна була виявитися заповненої однородно розподіленими речовиною й випромінюванням. І зараз не повинне було бути ніякої структури - ні зірок, ні галактик, ні нас. Цілком обтяжуюча картина

Ці пророкування, мабуть, досить далекі від спостережуваного різноманіття структурних форм матерії у Всесвіті. Напрошується висновок, що для пояснення спостережуваної структури, ще на ранніх етапах розширення Всесвіту повинні існувати флуктуації - хоча й малі, але кінцеві відхилення щільності матерії від однорідного й ізотропного розподілу впространстве.

Pages: 1 2