1tom - 0460.htm
512
ш
Т
существующую распростран╦нность всех элементов их синтезом в самом начале расширения Вселенной были несостоятельными. Если строго следовать Г. В. т., то в результате ядерных реакций в начале расширения образуется только водород и гелий, примесь др, л╦гких элементов незначительна, а тяж╦лые элементы практически совсем не образуются. Однако с открытием, что время расширения Вселенной превышает 10 млрд. лет, стало возможным объяснить распространенность тяжелых элементов их нуклеосинтезом в зв╦здах.
В начале расширения Вселенной при большой темп-ре в термодинамич. равновесии с веществом должно было находиться эл.-ыагн. излучение. В ходе расширения вещество и излучение остывают, и к настоящему времени во Вселенной должно существовать низкотемпературное излучение (его наз. микроволновым фоновым излучением или реликтовы.ч излучением), для к-рого вещество сегодняшней Вселенной практически прозрачно. Существование во Вселенной такого излучения, имеющего темп-ру всего неск. Кельвинов, было предсказано Г. Гамоиыад (1956).
В 1964 А. Г, Дорошкевнч и И. Д. Новиков впервые рассчитали широкий спектр плотности эл.-магн. излучения от всех источников в эволюционирующей Вселенной (включая радиогалактики и зв╦зды) и показали, что в области сантиметровых и миллиметровых волн интенсивность реликтового излучения с темп- рой ок. 1 К и выше будет на много порядков превосходить излучение отдельных источников, и оно может быть обнаружено. Реликтовое излучение (РИ) было открыто А. Пензиасоад (A. Penzias) и Р. Вильсоном (R. Wilson) в 1965 на длине волны 7,3см. Обнаружение РИ стало решающим тестом, подтвердившим справедливость гипотезы о высокой изначальной темп-ре Вселенной. Тщательные последующие наблюдения показали, что РИ действительно является равновесным, как предсказывает теория, и имеет темп-ру Г~2,7 К. Совр. количества фотонов РИ в ед. объ╦ма Л^ ≈ 500 см~э, а тяж╦лых частиц (барионов, гл. обр, протонов) JV(, примерно 10^е см~3. Отношение s ≈ N^lN^, ^ 109 почти не меняется с расширением Вселенной и характеризует уд. энтропию Вселенной, к-рая оказывается весьма большой. Плотность массы реликтового излучения сегодня р^ = zyc^Ny « 5-10~а4 г/см3 (Еу д; Ю "^ эрг ≈ ср. энергия одного фотона) много меньше плотности массы обычного в-ва
г/см
масса протона):
5-10~*. В прошлом РИ преобладало над веществом не только по числу частиц, но и по массе. Действительно, с расширением Вселенной энергия каждого кванта убывает пропорционально его частоте из-за красного смещения, т. е. пропорционально увеличению пространств, масштабов. Отсюда следует, что в прошлом при плотности вещества р(,я«10~20 г/см3 плотность излучения равнялась плотности вещества (Pv≥рь*«10-ао г/см3), а частота излучения соответствовала диапазону видимого света. Для более раннего периода ру>Рь- Поэтому при анализе динамики расширения Вселенной в ранние эпохи можно пренебречь «примесью» обычного вещества, входящего в наше время в состав галактик, зв╦зд, планет.
Закон падения темп-ры во Вселенной для ранней эпохи е╦ расширения (в пределах неск. лет или сотен лет после начала расширения) записывается в виде
Г≈1010//1'2. Здесь время t (в секундах) отсчитывается от того момента, когда плотность материи равна (формально) бесконечности (т.н. сингулярное состоя-н и е). Физ. процессы при 7¥>1013 К и плотностях р> >1018 г/см3 ещ╦ недостаточно хорошо изучены еовр. физикой и выводы о процессах в этих условиях не могут считаться над╦жными, Однако процессы при Г<1013 К можно рассматривать с полной уверенностью.
При очень больших плотностях и темп-pax все про-518 цессы взаимодействия частиц происходят чрезвычайно
быстро, гораздо быстрее изменения физ. условий вследствие расширения Вселенной, и поэтому имеется полное термодинамич. равновесие между всеми сортами частиц (и их античастиц), к-рые могут рождаться при энергиях, соответствующих данной темп-ре,
При Г«1013 К в равновесии находятся барионы ц антибарионы, разные сорта мезонов и их античастиц» мюоны, электроны (е~) и их античастицы, все сорта нейтрино и антинейтрино, фотоны.
Быстрые превращения одних частиц в другие поддерживают равновесие, количество частиц разных сортов примерно одинаково. С уменьшением темп-ры при расширении у взаимодействующих частиц уже не хватает энергии для рождения новых тяж╦лых частиц, и эти частицы, сталкиваясь со своими античастицами, аннигилируют («вымирают»). При 2~10-° с начинают вымирать барионы, затем мезоны и мюоны. После вымирания барионов и a iiT и барионов оста╦тся небольшое количество барионов (~НО~9 от исходного числа), т. к. с самого начала, согласно теории, их было несколько больше, чем антибарионов. Из этих барионов и обра. зовались позднее все небесные тола. Иная судьба у частиц с нулевой (или очень малой) массой покоя. Такими частицами являются все сорта нейтрино и антинейтрино. При охлаждении и уменьшении скоростей реакций наступает момент, когда реакции с соответствующими частицами перестают протекать и частицы становятся свободными, т. е. Вселенная для них оказывается практически прозрачной. Так, при t ж 0,01 с свободными становятся мюонные нейтрино v^, при i~0,3c ≈ электронные нейтрино ve. Важно подчеркнуть, что и после освобождения частицы продолжают «остывать», уменьшать свою энергию вследствие расширения Вселенной. Это происходит потому, что свободно летящая частица переходит из одного объ╦ма вещества в другой, удаляющейся от первого. Поэтому частица имеет относительно второго объ╦ма меньшую энергию, чем была е╦ энергия относительно первого объ╦ма, и т. д. При (^10 с вымирают электрон-по-позитронные пары (они превращаются в фотоны). После этого во Вселенной остаются нейтрино и антинейтрино всех сортов, фотоны и небольшая примесь обычного вещества (одна миллиардная доля по числу частиц) в виде плазмы (смеси барионов и электронов).
К сегодняшнему моменту реликтовые фотоны остыли и имеют, согласно наблюдениям, темп-ру 7^2,7 К. Помимо реликтовых фотонов сегодня должны существовать реликтовые нейтрино с теми-рой несколько ниже, чем у фотонов (Т^2 К). Более высокая темп-pa фотонов по сравнению с нейтрино объясняется тем, что пары (е~, е + ), превратившись в фотоны, добавили свою энергию к энергии фотонов. Прямое наблюдение реликтовых нейтрино пока невозможно.
Для дальнейшей эволюции Вселенной важны физ. процессы, протекающие в веществе, из к-рого впоследствии образуются галактики, зв╦зды, планеты. При Г»2-1010 К барионы существуют в виде протонов р и нейтронов п. Эти частицы быстро превращаются друг в друга под влиянием окружающих энергичных частиц
(е-, е+ и ve, ve):
p-j-e-
(*>
и устанавливается термодинамич. равновесие между количеством нейтронов и протонов. Отношение числа нейтронов к числу протонов в ед. объ╦ма в равновесии
где Д/д ≈ разность масс нейтрона и протона. При t порядка неск. секунд реакции (*) практически прекращаются, и отношение числа нейтронов к общему числу барионов (-JVpH-^Vn) B еД- объема «застывает» на значении ^n/(-^p~bArn)ftiOil5, С дальнейшим понижением Г, через неск. минут после начала расширения, начинают интенсивно протекать ядерные реакции объединения
")
}
