1. Эволюция и химический состав вселенной
1.1 Теория Большого Взрыва
Около 15 миллиардов лет тому назад произошел Большой Взрыв, охвативший существовавшее в то время вещество, которое было равномерно распределено в небольшом пространстве и имело огромные плотность и температуру. Наиболее плотно вещество упаковано в атомных ядрах. Там плотность его составляет 10–15 г/см3. Сейчас известно, что плотность вещества до Большого Взрыва была во всяком случае больше плотности вещества в атомных ядрах по крайней мере в 10108раз. Именно такой плотности достигло вещество спустя 10–43 секунды после Большого Взрыва. Но за это время после начала Взрыва вещество успело уменьшить свою плотность. Значит, до Взрыва оно имело большую плотность.
Горячее вещество, которое в конце концов взорвалось, состояло из большого количества фотонов, имеющих большие энергии, но замурованных в вещество в результате столь огромной его плотности. Кроме того, в нем содержались протоны и нейтроны, которые непрерывно стремились к объединению и образованию дейтерия. Этому препятствовали фотоны, разбивая дейтерий на протон и нейтрон. Этот процесс может идти только при очень высокой температуре.
Известно, что температура вещества до Взрыва и сразу после него превышала десятки тысяч миллиардов градусов по Кельвину (или просто кельвинов). Взрыв разбросал вещество во все стороны, оно стало разбегаться с огромными скоростями, порядка 250 километров в секунду. Так с момента Большого Взрыва начала существовать горячая расширяющаяся Вселенная, в которой мы живем. Горячее вещество до Взрыва не содержало атомов химических элементов и даже всех элементарных частиц. В экстремальных условиях при столь больших плотности и температуре после Большого Взрыва стали протекать ядерные реакции между элементарными частицами, в результате которых образовались другие элементарные частицы (до указанного выше момента после истечения 10–4 секунды после Взрыва), а затем и химические элементы.
Какие именно процессы привели к образованию химических элементов, в настоящее время установлено, поскольку имеется возможность сопоставить результаты расчетов этих процессов с истинным распределением химических элементов в нынешней Вселенной. Поэтому можно считать, что мы знаем, что происходило от 1 секунды после Взрыва и до наших дней, несмотря на то, что этот период занимает 15 миллиардов лет. Имеются некоторые естественные вехи, которые делят весь интервал времени после Взрыва (все время жизни Вселенной, поскольку ее летоисчисление началось с Большого Взрыва) на отдельные периоды. Первый такой период (возможно, состоящий из подпериодов) от начала Взрыва продолжался всего 1 секунду. Но именно в этот период была определена вся дальнейшая «судьба» Вселенной (ее строение, химический состав, эволюция). Правда, этот период не только самый важный, но и менее изученный, чем последующие.
В самые первые моменты после Взрыва из-за огромной температуры, превышающей десятки тысяч миллиардов градусов, взаимодействие частиц приводило к рождению одновременно протонов и антипротонов, а также нейтронов и антинейтронов. Частицы и античастицы не только рождались, но и аннигилировали (взаимно уничтожались). При последнем процессе рождаются фотоны. Так, высокоэнергичные фотоны при столкновении приводят к образованию пар электрон-позитрон, а при аннигиляции рождаются кванты света - фотоны. Минимальная температура, при которой могут проходить описанные выше превращения, должна превышать 10 миллиардов градусов. При меньших температурах фотонам не будет хватать энергии для образования пар электрон-позитрон. Как уже было сказано, для рождения более тяжелых частиц (протонов, антипротонов, нейтронов, антинейтронов, мезонов и т. п.) нужна еще более высокая температура. Чем меньше температура, тем частицы меньшей массы могут порождать фотоны. Поэтому при понижении температуры число тяжелых частиц уменьшается (вначале протонов и антипротонов, а затем и мезонов).
Высокоэнергичные фотоны не могли преодолеть вещества из-за его колоссальной плотности: они поглощались и тут же излучались веществом. При нынешней низкой плотности вещества во Вселенной оно неспособно было бы оказать какое-либо ослабляющее (поглощающее) действие на распространение этих фотонов. В результате поглощения и излучения фотонов их число оставалось неизменным. То же можно сказать и о протонах и нейтронах. Установлено, что в первый период на один протон приходился миллиард фотонов. Можно сказать, что все произошло от света, так как частиц по сравнению с фотонами было ничтожно мало. С течением времени это соотношение остается постоянным. Но меняется соотношение между массой всех фотонов и массой всех протонов, поскольку фотоны становятся все более легкими. Это происходит в результате эффекта Доплера, так как фотоны с течением времени уменьшают свою частоту, а значит, и энергию (массу).
В какое-то время наступает момент, когда вся масса фотонов (в данном объеме) сравнится с массой протонов. Такое условие наступило во Вселенной тогда, когда ее вещество имело плотность 10–20 г/см3 и температуру около 6 тысяч градусов. До этого масса излучения была больше массы вещества. Этот период называют эрой фотонной плазмы. Фотоны в это время представляли собой видимый свет. Позднее их энергия уменьшилась (частота уменьшилась), и они стали радиоволнами.
В первом периоде критическим является достижение момента в 0,3 секунды. С этого момента вещество, уменьшающее свою плотность в результате расширения, начинает быть прозрачным для нейтрино. При больших плотностях и очень высоких температурах нейтрино взаимодействует с веществом: они вместе с антинейтрино превращаются в электроны, позитроны и обратно. После этого момента, наступившего спустя 0,3 секунды после Большого Взрыва, нейтрино становятся неуловимыми, ведь они больше не взаимодействуют с остальным веществом, которое становится для нейтрино прозрачным. По этой причине число нейтрино, которые вырвались в этот момент из вещества Вселенной, не меняется до наших дней: они только носятся по Вселенной, но не исчезают. Правда, с ними происходит то же самое, что и с фотонами, в результате эффекта Доплера они с течением времени уменьшают свою энергию. Мы узнаем о том, что происходило после Большого Взрыва, по тому излучению, которое доходит до нас с тех времен. Несомненно, что ценную информацию несут с собой и нейтрино, которые вырвались на свободу в момент, наступивший через 0,3 секунды после Взрыва. Но, к сожалению, их пока не удалось поймать. Этому препятствуют очень малая их энергия (она с первоначального момента сильно уменьшилась) и их нежелание взаимодействовать с остальным веществом.
В первые пять минут после Большого Взрыва практически произошли события, определившие те свойства Вселенной, которые она имеет сегодня. Решающую роль в них играли протоны и нейтроны, которые, взаимодействуя с электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино, превращаются друг в друга. Но в каждый момент число протонов примерно равно числу нейтронов. Подчеркнем, что температура в это время была не менее ста миллиардов градусов. Но с течением времени температура вследствие расширения Вселенной уменьшается. При этом протонов становится больше, поскольку их масса меньше массы нейтронов и создавать их энергетически выгоднее. Но эти реакции создания избытка протонов останавливаются из-за понижения температуры до того, как все нейтроны будут превращены в протоны, а именно, в тот момент, когда нейтроны составляют 15 % от всех тяжелых частиц. И только после того, как температура падает до одного миллиарда градусов, начинают образовываться простейшие ядра (кроме самого протона, который является ядром атома водорода). Это становится возможным потому, что фотоны и другие частицы из-за «низкой» температуры уже бессильны разбить ядро. Нейтроны захватываются протонами, и образуется дейтерий. Затем реакция продолжается и заканчивается образованием ядер гелия, которые состоят из двух протонов и двух нейтронов. Кроме дейтерия образуется совсем немного лития и изотопа гелия-3. Более тяжелые ядра в это время не образуются. Второй период, длящийся от секунды до 5 минут, заканчивается потому, что из-за упавшей ниже одного миллиарда градусов температуры ядерные реакции прекращаются. Собственно, это те реакции, которые происходят при взрыве водородной бомбы.
Химический состав Вселенной составляет по массе ¾ водорода и ¼ гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1%. Тяжёлые элементы возникли во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций «зажглись» звёзды, а при взрывах сверхновых звёзд они оказались выброшены в космическое пространство.
Что может ожидать Вселенную в будущем? Ответ на этот вопрос заключается в установлении средней плотности Вселенной. Современное значение плотности равно 10 -29 г/см 3 , что составляет 10 -5 атомных единиц массы в 1 см 3 . Чтобы представить такую плотность, надо 1 г вещества распределить по кубу со стороной 40 тыс.км!
Если средняя плотность будет равна или несколько ниже критической плотности , Вселенная будет только расширяться, если же средняя плотность будет выше критической, то расширение Вселенной со временем прекратиться и она начнёт сжиматься, возвращаясь к сингулярному состоянию.
Спустя примерно 1 млрд. лет после Большого взрыва, в результате сжатия огромных газовых облаков стали формироваться звёзды и галактики – скопления миллионов звёзд. Любая звезда формируются в результате коллапса космического облака газа и пыли. Когда сжатие в центре структуры приведёт к очень высоким температурам, в центре «сгустка» начинаются ядерные реакции, т.е. превращение водорода в гелий с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звезда светится. Гелий впоследствии превращается в углерод.
ЗЕМЛЯ КАК ПЛАНЕТА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Земля – часть Вселенной и наша Солнечная система одна их 100 млд. звезд в звездной Галактике, имеющей возраст около 12 млд. лет. Возраст Солнечной системы, к которой принадлежит Земля около 6 млд. лет.
Планет в солнечной системе девять. К планетам земного типа относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс, к внешним планетам – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Радиус Солнечной системы 5,917 млрд. км (от Земли до Солнца 149, 509 млн. км).
Планеты земного типа относительно плотные, но обладают сравнительно небольшими размерами и массой. Меркурий лишён атмосферы, на остальных планетах этого типа она есть, причём на Марсе атмосфера близка земной.
Внешние планеты имеют огромные размеры и массу, но отличаются сравнительно небольшой плотностью. Атмосферы этих планет состоят, главным образом, из метана и аммиака.
И так Солнце. Его масса 99.87% от массы системы. Крупнейшая из планет Юпитер имеет массу 0,1% от массы системы. Солнце – плазменный шар (водород 90% и гелий 10%) с температурой поверхности около 5600 0 . Все тела Системы связаны с Солнцем силой гравитационного притяжения и поэтому оказывают влияние друг на друга. Громадная масса Солнца и лучистая энергия его оказывает большое влияния на многие геологические процессы как на внутреннее ядро, так и на каменную оболочку Земли.
Вопросы происхождения Солнечной системы и Земли в процессе развития геологической мысли оставались в центре внимания ученых. Согласно воззрениям немецкого философа И.Канта образование звезд и Солнца произошло под воздействием сил притяжения. П.Лаплас развил его теорию, обогатив ее вращательным движением частиц материи в разреженной и раскаленной газообразной туманности. По гипотезе Канта – Лапласа сгустки материи образовали зародыши планет. Постепенно охлаждаясь планеты, как и Земля охлаждалась и деформировалась. Эта достаточно прогрессивная идея с развитием астрономических исследований позднее оказалась неудовлетворительной.
Гипотеза О.Ю.Шмидта предполагала образование планетарной системы путем прохождения Солнца через рой метеоров и космической пыли. Радиоактивный распад, гравитационные, магнитные и другие процессы способствовали консолидации, разогреванию и в дальнейшем охлаждению планет – спутников. Однако и эта теория не объясняла эволюцию планетарной системы, это были «приемыши», а не «дети» Солнца.
Но это первое впечатление неизменности окружающей нас Вселенной в действительности обманчиво: она эволюционирует, и эта эволюция, сравнительно медленная сейчас, на ранних этапах была невообразимо быстрой, так что серьезные качественные изменения состояния Вселенной происходили за доли секунды. По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла около 15 миллиардов лет назад из некоторого начального "сингулярного" состояния с бесконечно большими температурой и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно этой теории Большого Взрыва , дальнейшая эволюция зависит от измеримого экспериментально параметра - средней плотности вещества в современной Вселенной. Если меньше некоторого (известного из теории) критического значения , Вселенная будет расширяться вечно; если же > , то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнется обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины еще недостаточно надежны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.
Есть ряд вопросов, на которые теория Большого Взрыва ответить пока не может, однако основные ее положения обоснованы надежными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа - порядка сотой доли секунды от "начала мира". Для теории важно, что эта неопределенность на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.
Закончив на этом общее введение, переходим к более подробному изложению теории Большого Взрыва и порождаемых ею проблем. Основными экспериментальными основаниями данной теории являются следующие три:
Наблюдаемое "разбегание" далеких галактик, подчиняющееся закону Хаббла .
Открытие в 1964 году Р. Пензиасом и А. Вильсоном космического фона "реликтового излучения ", по интенсивности и спектральному составу эквивалентного излучению черного тела с температурой около 3 K (градусы Кельвина).
Наблюдаемый химический состав Вселенной, состоящей приблизительно из 3/4 (по массе) водорода и 1/4 гелия с небольшой (порядка одного процента) примесью прочих элементов.
Для описания эволюции после первой сотой доли секунды используются следующие разделы теоретической физики:
равновесная статфизика, главным образом ее основные принципы и теория релятивистского идеального газа;
1. Расширение вселенной
По данным современной наблюдательной астрономии звезды во Вселенной группируются в галактики , которые, в свою очередь, также образуют скопления . Представление о порядках величин дают следующие цифры: наша Галактика содержит ~ 10 11 звезд и имеет форму линзы диаметром 80 тысяч световых лет и толщиной ~ 30 тысяч световых лет. Ближайшая к нам галактика M31 в созвездии Андромеды удалена от нас на расстояние порядка 2 миллионов световых лет. Мы находимся на периферии гигантского скопления более тысячи галактик с центром в направлении созвездия Девы, удаленным на расстояние ~ 60 миллионов световых лет. Возможности современной техники позволяют наблюдать достаточно яркие галактики вплоть до расстояний порядка 10 миллиардов световых лет. Данные наблюдений показывают, что в крупных масштабах Вселенная однородна и изотропна. Грубо говоря, это означает, что в любой сфере с фиксированным достаточно большим диаметром (достаточным считается число ~ 300 миллионов световых лет) содержится приблизительно одинаковое число галактик. Утверждение об однородности и изотропности Вселенной в больших масштабах принято называть Космологическим Принципом.
В наблюдаемых спектрах звезд и галактик хорошо различимы спектральные линии поглощения (хромосферами звезд) известных элементов. Это позволяет довольно точно измерять с помощью хорошо известного эффекта Доплера скорость , с которой данный излучающий объект удаляется ( > 0) или приближается ( \rightarrow " длины волны излучающего источника:
где - скорость удаления, - скорость света (знаменатель - поправка в релятивистской теории Эйнштейна, существенная только при , близких к скорости света ). Из видно, что для удаляющегося от нас объекта линии смещаются в красную сторону ( > "), а для приближающегося - в голубую (").
Если бы окружающие нас галактики двигались хаотически, то красные и голубые смещения в их спектрах наблюдались бы с одинаковой вероятностью. Но эксперимент показывает другое: красные смещения преобладают и тем больше, чем дальше от нас находятся изучаемые объекты. Количественным итогом этих наблюдений является сформулированный в 1929 году Хабблом "закон разбегания", согласно которому все галактики (в среднем) удаляются от нас и скорость этого разбегания приблизительно пропорциональна расстоянию до рассматриваемой галактики:
Коэффициент пропорциональности называют постоянной Хаббла . Мы указали в принимаемое сейчас большинством астрономов значение: 15 км/с на каждый миллион световых лет расстояния. Здесь следует отметить, что определение величины по данным эксперимента является очень трудной задачей: скорости по эффекту Доплера можно определить достаточно точно, но измерение расстояний до далеких галактик - труднейшая проблема, и до сих пор она решается лишь различными косвенными методами. Сам Хаббл при оценке расстояний занизил их на порядок, поэтому получил на порядок большее, чем в , значение (170 вместо 15). До сих пор часть астрономов считает, что значение заметно больше приведенного в , но большинство принимает цифру 15.
Из закона разбегания , разумеется, не следует, что наша галактика является центром мира, а все прочие удаляются от нее. Согласно Космологическому Принципу наша галактика ничем не выделена, так что точно такую же картину разбегания должен видеть наблюдатель из любой другой галактики. Это значит, что "все разбегаются от всех". Наглядной моделью такого разбегания может послужить надуваемый резиновый шарик с нанесенными хаотически на его поверхность точками - "галактиками": при надувании все эти точки будут удаляться друг от друга в точном соответствии с законом Хаббла . Это модель "двумерного замкнутого мира". Аналогичный "открытый мир" можно представить в виде резиновой плоскости с нанесенными точками, равномерно растягивающейся во всех направлениях.
Из пропорциональности и в законе вытекает фундаментальный вывод относительно существования "начала мира": где-то в прошлом был момент, в который любая из наблюдаемых сейчас галактик была бесконечно близка к нашей, следовательно, "любая к любой" в силу Космологического Принципа. Из-за такого сближения плотность вещества во Вселенной в "начальный момент" становится бесконечной. Но это не означает, что все оно было собрано в одном месте, так как тот же Космологический Принцип требует, чтобы плотность становилась бесконечной в любой точке пространства.
Оценить "возраст Вселенной" можно очень просто, если предположить, что постоянная Хаббла в процессе расширения остается неизменной: тогда миллиардов лет для числа из . На самом деле предположение о неизменности неправильно и точную оценку можно получить только с помощью космологической модели Фридмана (см. далее). К качественным изменениям это не приводит, а для тогда получается 14 миллиардов лет.
2. Реликтовое излучение
Это важнейшее космологическое открытие нашего века, которое было сделано случайно. В 1964 году астрономы Р. Пензиас и А. Вильсон решили измерить фоновое радиоизлучение нашей Галактики в направлениях вне ее плоскости эклиптики. Для этого они решили воспользоваться построенной для связи со спутниками рупорной антенной лаборатории фирмы Белл-Телефон, сконструированной так, чтобы обеспечить сверхнизкий уровень собственных шумов. Последнее очень важно, так как ожидаемое фоновое радиоизлучение галактики также подобно радиошуму, который следовало выделить на фоне других шумов от атмосферы, самой антенны и ее усилительных цепей.
Пензиас и Вильсон не понимали природы этого дополнительного радиошума и даже разобрали, почистили и вновь собрали всю антенну, чтобы исключить добавочные помехи от возможных загрязнений. Но это практически не изменило результат, и им пришлось констатировать, что по непонятным (для них) причинам их антенна принимает дополнительный слабый радиошум внеземного происхождения, интенсивность которого постоянна во времени и не зависит от направления. Измеренная ими на длине волны 7,35 см интенсивность этого радиосигнала оказалась равной интенсивности излучения на данной длине волны абсолютно черного тела с температурой около трех кельвинов. Пензиас и Вильсон наткнулись на этот факт случайно и некоторое время даже не решались опубликовать свои результаты, поскольку не понимали природы обнаруженного ими радиошума (в 1978 году они получили за свое открытие Нобелевскую премию). Но уже в конце сороковых годов появились первые работы физиков-теоретиков, в которых предсказывалось, что в настоящий момент вся Вселенная должна быть заполнена равновесным электромагнитным излучением с эффективной температурой в несколько градусов Кельвина.
Распределение по энергиям такого равновесного излучения (оно же излучение абсолютно черного тела) описывается известной формулой Планка
в которой - энергия в единице объема, приходящаяся на интервал длин волн от до + , - температура в кельвинах K, эрг с - постоянная Планка, эрг/K - постоянная Больцмана, c = 3 см/c - скорость света.
Согласно утверждениям теоретиков, на ранней стадии Вселенная была заполнена равновесным излучением с очень высокой температурой. В процессе расширения Вселенной это излучение охлаждалось, оставаясь равновесным, и к настоящему времени температура опустилась до значений нескольких градусов Кельвина. Именно это "реликтовое излучение", оставшееся от начальной фазы горячей ранней Вселенной, обнаружили Пензиас и Вильсон. Они узнали об этом, вступив в контакт с физиками из Принстонского университета, которые были знакомы с теорией горячей (на ранней стадии) Вселенной и уже строили специальную антенну для обнаружения реликтового излучения. Но Пензиас и Вильсон их опередили.
Наличие реликтового излучения считается в настоящий момент достоверно установленным фактом. Основной проверкой является возможность его измерения на разных длинах волн : интенсивность сигнала должна быть пропорциональной известной из величине с одной и той же для всех температурой . В настоящее время измерения выполнены для десятков различных длин волн как в микроволновой, так и в инфракрасной области спектра электромагнитных волн (согласно распределению максимум интенсивности при = 3 K соответствует = 0,1 см, более короткие волны относятся уже к инфракрасной области). По последним данным, полученным с помощью установленной на спутниках аппаратуры, современное значение температуры реликтового излучения есть 2,74 K. Точность этих измерений уже настолько высока, что она позволила обнаружить наличие слабой анизотропии реликтового излучения, объясняющейся движением земного наблюдателя через заполненное излучением пространство. Вследствие того же эффекта Доплера излучение прямо по направлению движения должно казаться немного более горячим, а в обратном направлении - более холодным. Эти небольшие (порядка 10 -3 от основной величины) вариации температуры были обнаружены экспериментально, и они имеют характерную () угловую зависимость. По этим данным можно вычислить скорость движения Земли относительно этого "нового эфира", образованного фоном реликтового излучения. В итоге получается значение порядка 600 км/с. Помимо этой "кажущейся" анизотропии, в экспериментах обнаружена и настоящая (не связанная с движением Земли) анизотропия реликтового излучения. Она очень мала (порядка 10 -5 от основной величины), поэтому с высокой степенью точности реликтовое излучение можно считать однородным и изотропным. Но сам факт наличия хотя бы очень слабой анизотропии принципиально важен для различных теорий, пытающихся объяснить и описать математически происхождение галактик.
3. СОСТАВ ВСЕЛЕННОЙ
Как уже было сказано, по данным наблюдений Вселенная состоит в основном из водорода (3/4 по массе) и гелия (1/4), прочие элементы составляют примесь порядка одного процента. Эти данные получены по спектрам звезд и межзвездного газа и хорошо согласуются с теоретическими моделями астрофизики, описывающими состав и эволюцию звезд. Приведенные выше цифры 3/4 и 1/4 относятся к начальной фазе этой эволюции, в процессе которой в звездах вырабатываются и другие, в том числе тяжелые, элементы.
По современным представлениям, где-то в первые минуты своего существования Вселенная прошла "эру нуклеосинтеза" (подробнее потом), во время которой и образовались водород и гелий в пропорции 3: 1 плюс ничтожная примесь других легких элементов, в частности лития Li, и изотопов водорода - дейтерия D и трития T. Все прочие более тяжелые элементы образовались уже гораздо позднее внутри звезд, а в межзвездное пространство они попадают при взрывах сверхновых и т.п. Как это ни странно, именно простой факт преобладания водорода во Вселенной позволил теоретикам предсказать необходимость существования реликтового излучения.
Для дальнейшего изложения также важно сопоставить плотность ядерных частиц (протонов и нейтронов) в наблюдаемой Вселенной с плотностью числа фотонов в реликтовом излучении. Согласно теории Планка, равновесное электромагнитное излучение можно рассматривать как некоторый идеальный газ безмассовых частиц - фотонов, имеющих энергию для длины волны . Плотность энергии связана с плотностью числа фотонов очевидным соотношением , так что из определяется и распределение числа фотонов по длинам волн. Интегрируя по всем , получим полное число фотонов в единице объема, аналогичный интеграл от из дает объемную плотность энергии , частное - среднюю энергию одного фотона . Все эти величины зависят только от температуры и мировых констант:
[эрг/см 3 ], [фотонов/см 3 ],
| [эрг/см 3 ], [фотонов/см 3 ], | (4) |
| [эрг], |
где - температура в кельвинах, - известные константы: . Первое из соотношений называется законом Стефана-Больцмана. Из следует, что при современной температуре = 3 K в фоне реликтового излучения содержится 550 миллионов фотонов на 1 кубометр. Оценка плотности вещества по данным наблюдений остается пока неопределенной, но в любом случае не выходит из границ от 6 до 0,03 ядерных частицы на 1 кубометр (критической плотности соответствует число 3). Таким образом, на одну ядерную частицу приходится порядка 10 8 - 10 10 фотонов. В дальнейшем при оценках будем принимать цифру 10 9: один миллиард фотонов на одну ядерную частицу.
Хотя это очень большое число, основная энергия сейчас сосредоточена в веществе, а не в излучении. Энергия одной ядерной частицы равна приблизительно 1000 МэВ (МэВ = 1 миллион электронвольт), тогда как получаемая из средняя энергия одного фотона при = 3 K составляет в тех же единицах (1 эрг = эВ) приблизительно эВ. Эта величина даже после умножения на 10 9 остается на три порядка меньше энергии одной ядерной частицы, так что подавляющая доля плотности энергии приходится сейчас на вещество. Но так было не всегда: на ранней стадии основная доля энергии приходилась на излучение (см. ниже).
Переходя к описанию самого процесса эволюции, выделим мысленно в пространстве произвольную сферу достаточно большого радиуса ("достаточно" для справедливости Космологического Принципа) и будем следить за эволюцией во времени содержащегося внутри данной области излучения и вещества, предполагая их распределение однородным и изотропным. Термин "излучение внутри данной сферы", конечно, условен, поскольку фотоны могут выходить из нее и приходить извне. Но эти два процесса в силу предполагаемой однородности взаимно компенсируют друг друга, так что понятие "количество излучения (энергии) внутри данной сферы" имеет смысл. Согласно закону Хаббла радиус рассматриваемой области растет со скоростью . Поскольку количество вещества внутри сферы остается неизменным, его плотность изменяется по закону . Это относится и к энергетической, и к массовой плотности, так как они связаны простой пропорциональностью .
Рассмотрим теперь энергию реликтового излучения. В настоящий момент Вселенная практически прозрачна для электромагнитных волн (раз мы видим далекие галактики), т.е. сейчас излучение фактически не взаимодействует с веществом и эволюционирует самостоятельно. Его можно рассматривать как релятивистский газ фотонов с некоторой температурой , находящийся внутри сферы радиуса и адиабатически (т.е. без обмена теплом с внешней областью) расширяющийся. Из статистической физики известно, что полная энтропия такого газа пропорциональна - объем сферы) и остается постоянной в процессе расширения. Отсюда следует, что и связаны соотношением = const, т.е. . Это значит, что в тот момент прошлого, когда все галактики были вдвое ближе друг к другу, Вселенная была вдвое горячее и что "очень давно" она была "очень горячей". Термин "температура Вселенной" в данной фазе обозначает температуру реликтового излучения и не имеет отношения к веществу.
Из сказанного выше и первого равенства следует, что энергетические плотности вещества и излучения связаны с и следующими соотношениями: изл , вещ , . Из них следует, что при "движении в прошлое" () величина изл растет быстрее, чем вещ. Поэтому современная "эпоха вещества" ( изл вещ) где-то в прошлом обязательно должна переходить в "эпоху излучения" ( изл вещ) с другой зависимостью от и .
Рассмотрим в общих чертах основные этапы эволюции, двигаясь назад по направлению к "началу мира" и принимая за независимую переменную температуру (впоследствии мы увяжем ее с возрастом Вселенной). С ростом растет средняя энергия фотона , по порядку величины равная . Качественные изменения происходят тогда, когда величина достигает значений порядка энергии связи электронов в атомах и молекулах (~ 1 эВ), затем ядер (~ 1 МэВ), затем - порогов рождения пар частица - античастица, сначала для самых легких элементарных частиц, потом с ростом - все более тяжелых. Поясним подробнее. Элементарные частицы характеризуются своей массой покоя (обычно вместо приводится значение соответствующей энергии в электронвольтах), а также дискретными квантовыми числами: спином (внутренний момент количества движения) и различными зарядами - электрическим, барионным и лептонным. В подходящих единицах спин любой частицы является целым или полуцелым числом, частицы с целым спином являются бозонами, с полуцелым - фермионами. Фотон - частный случай бозона со спином 1 и нулевыми значениями и всех трех зарядов. Если для данного сорта частиц , то их массой можно пренебречь, и тогда для любых бозонных частиц распределение по энергиям будет иметь тот же вид , что и для фотонов, а для фермионов знак минус в знаменателе заменится знаком плюс. Это приведет лишь к незначительному (множители типа 7/8) изменению коэффициентов в формулах , так что различие между бозонами и фермионами несущественно.
Большинство частиц имеет соответствующую пару - античастицу с той же массой и спином и противоположными значениями всех зарядов. Все три заряда сохраняются в любых процессах взаимодействия элементарных частиц. При их столкновениях могут происходить любые взаимопревращения частиц, допустимые по энергии и законам сохранения зарядов. В частности, при столкновении двух фотонов с достаточно высокой энергией могут рождаться различные пары частица - античастица. Такие процессы начинаются, когда величина достигает порогового значения для данного сорта частиц, и становятся весьма интенсивными при . Перечислим наиболее важные элементарные частицы, указывая в скобках их традиционные обозначения, энергию покоя и порядок величины пороговой температуры: электрон и его античастица позитрон ( , = 0,5 МэВ, K), аналогичные пары мю-мезонов ( , МэВ), пи-мезонов (, , E ~ 135 МэВ) с пороговой температурой порядка 10 12 K, наконец, ядерные частицы протон (пара , , = 938,26 МэВ) и нейтрон (пара , , = 939,55 МэВ) с пороговой температурой 10 13 K. Нейтрон немного (на 1,3 МэВ) тяжелее протона, и это важно для эры нуклеосинтеза.
Теперь мы можем проследить эволюцию "назад по времени" при нарастании температуры . Первое качественное изменение происходит при ~ 3000 K, когда достигает величин порядка 1 эВ и излучение начинает разбивать атомы. Вещество тогда превращается в плазму, состоящую из свободных ядер и электронов, ее плотность нарастает ~ при дальнейшем росте . Через какое-то время при порядка 10 4 K такая среда становится уже непрозрачной для излучения: фотоны рассеиваются на свободных электронах и ядрах, и это приводит к установлению общего теплового равновесия между излучением и веществом с общей для всей системы температурой . Следующий важный этап - ~ 10 10 K, когда начинается интенсивное рождение электрон-позитронных пар (порог K) и процессы развала ядер на их составляющие - свободные нейтроны и протоны. Плотность массы в этот период достигает значений порядка 10 5 г/см 3 . Столь высокая плотность увеличивает число взаимных столкновений, и это обеспечивает установление термодинамического равновесия для всех типов присутствующих в системе частиц. До порога рождения пар , и , еще далеко ( пор ~ 10 13 K), поэтому отношение числа протонов к числу нейтронов определяется классической формулой Гиббса
Для понимания структуры и эволюции Вселенной очень важен вопрос о химическом составе вещества во Вселенной.
Как известно, всякое вещество состоит из атомов. В естественном виде на Земле встречается около 90 разных видов атомов; кроме того, несколько новых видов атомов получено искусственно. Вещество, образованное атомами только одного какого-нибудь вида, называется элементом. Атомы большинства элементов способны объединяться друг с другом или с атомами других элементов, образуя молекулы; конкретные законы такого объединения являются предметом изучения химии. Любое вещественное образование - от самого твердого (алмаза) до газообразного, от органических соединений тела человека до отдаленнейших галактик - представляет собой различные комбинации тех же основных элементов.
Простейший элемент - водород. Его атом состоит всего из двух частиц - электрона и протона. Следующий простейший элемент - гелий, каждый атом которого содержит шесть частиц: два протона и два нейтрона, расположенные в центре, образуют ядро, а два электрона, связанные с ядром электрическим притяжением, вращаются вокруг него по орбитам. Основные различия между атомами обусловлены разным количеством протонов в их ядрах. Сейчас известны все атомы, ядра которых содержат от 1 до 92 протонов. Самым сложным из существующих в природе элементов является уран; ядро его атома включает 92 протона и около 140 нейтронов, а вокруг него обращаются 92 электрона. Элементы, имеющие в ядре более 92 протонов и полученные искусственным путем (например, нептуний и плутоний), неустойчивы (радиоактивны) и довольно быстро распадаются. Поэтому они не были найдены на Земле в естественном виде.
При спектроскопическом исследовании астрономических объектов во всей доступной нам Вселенной обнаруживаются одни и те же элементы *. Однако относительная распространенность элементов, присущих Земле, не характерна для других частей Вселенной. Так, около 90% всех атомов во Вселенной - атомы водорода; остальные - главным образом атомы гелия. Более тяжелые атомы, которые обычны для нашей планеты Земля, составляют во Вселенной лишь ничтожно малую часть. Ясно, что Земля сформировалась в особенных условиях, не характерных для среднестатистического распространения элементов во Вселенной, что вначале во Вселенной не было сложных атомов, но впоследствии образовался какой-то способ синтеза сложных элементов из более легких и простых. Когда и как образовалась такая «фабрика» химических элементов - одна из центральных проблем современного естествознания, лежащая на «стыке» астрономии, химии и физики.
* Гелий был открыт на Солнце (об этом говорит его название), причем ранее, чем на Земле.
Звезды
Звезда - газовый шар
Звезды - далекие солнца. Звезды - это огромные раскаленные солнца, но столь удаленные от нас по сравнению с планетами Солнечной системы, что, хотя они сияют в миллионы раз ярче, их cвет кажется нам относительно тусклым.
При взгляде на ясное ночное небо вспоминаются строки М.В. Ломоносова:
Открылась бездна, звезд полна,
Звездам числа нет, бездне - дна.
В ночном небе невооруженным газом можно видеть около 6000 звезд. С уменьшением блеска звезд число их растет, и даже простой их счет становится затруднительным. «Поштучно» сосчитаны и занесены в астрономические каталоги все звезды ярче 11-й звездной величины. Их около миллиона. А всего нашему наблюдению доступно около двух миллиардов звезд. Общее количество звезд во Вселенной оценивается в 10 22 .
Различны размеры звезд, их строение, химический состав, масса, температура, светимость и др. Самые большие звезды (сверхгиганты) превосходят размер Солнца в десятки и сотни раз. Звезды-карлики имеют размеры Земли и меньше. Предельная масса звезд равна примерно 60 солнечным массам.
Весьма различны и расстояния до звезд. Свет звезд некоторых далеких звездных систем идет до нас сотни миллионов световых лет. Самой близкой к нам звездой можно считать звезду первой величины α- Центавра, не видимую с территории России. Она отстоит от Земли на расстоянии 4 световых лет. Курьерский поезд, идя без остановок со скоростью 100 км/ч, добрался бы до нее через 40 миллионов лет!
В звездах сосредоточена основная масса (98-99%) видимого вещества в известной нам части Вселенной. Звезды - мощные источники энергии. В частности, жизнь на Земле обязана своим существованием энергии излучения Солнца. Вещество звезд представляет собой плазму, т.е. находится в ином состоянии, чем вещество в привычных для нас земных условиях. (Плазма - это четвертое (наряду с твердым, жидким, газообразным) состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрицательные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга.) Поэтому, строго говоря, звезда - это не просто газовый шар, а плазменный шар. На поздних стадиях развития звезды звездное вещество переходит в состояние вырожденного газа (в котором квантово-механическое влияние частиц друг на друга существенным образом сказывается на его физических свойствах - давлении, теплоемкости и др.), а иногда и нейтронного вещества (пульсары - нейтронные звезды, барстеры - источники рентгеновского излучения и др.).
Звезды в космическом пространстве распределены неравномерно. Они образуют звездные системы: кратные звезды (двойные, тройные и т.д.); звездные скопления (от нескольких десятков звезд до миллионов); галактики - грандиозные звездные системы (наша Галактика, например, содержит около 150-200 млрд звезд).
В нашей Галактике звездная плотность также весьма неравномерна. Выше всего она в области галактического ядра. Здесь она в 20 тыс. раз выше, чем средняя звездная плотность в окрестностях Солнца.
Большинство звезд находится в стационарном состоянии, т.е. не наблюдается изменений их физических характеристик. Это отвечает состоянию равновесия. Однако существуют и такие звезды, свойства которых меняются видимым образом. Их называют переменными звездами и нестационарными звездами . Переменность и нестационарность - проявления неустойчивости состояния равновесия звезды. Переменные звезды некоторых типов изменяют свое состояние регулярным или нерегулярным образом. Следует отметить также и новые звезды , в которых непрерывно или время от времени происходят вспышки. При вспышках (взрывах) сверхновых звезд вещество звезд в некоторых случаях может быть полностью рассеяно в пространстве.
Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, свидетельствует о выделении в них огромных количеств энергии. Современная физика указывает на два возможных источника энергии - гравитационное сжатие , приводящее к выделению гравитационной энергии, и термоядерные реакции , в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов и выделяется большое количество энергии.
Как показывают расчеты, энергии гравитационного сжатия было бы достаточно для поддержания светимости Солнца в течение всего лишь 30 млн лет. Но из геологических и других данных следует, что светимость Солнца оставалась примерно постоянной в течение миллиардов лет. Гравитационное сжатие может служить источником энергии лишь для очень молодых звезд. С другой стороны, термоядерные реакции протекают с достаточной скоростью лишь при температурах, в тысячи раз превышающих температуру поверхности звезд. Так, для Солнца температура, при которой термоядерные реакции могут выделять необходимое количество энергии, составляет, по различным расчетам, от 12 до 15 млн К. Такая колоссальная температура достигается в результате гравитационного сжатия, которое и «зажигает» термоядерную реакцию. Таким образом, в настоящее время наше Солнце является медленно горящей водородной бомбой.
Предполагается, что у некоторых (но вряд ли у большинства) звезд есть собственные планетные системы, аналогичные нашей Солнечной системе.