2 месяца назад
Нету коментариев

Общая теория относительности не описывает кон­кретные физические процессы, происходящие во Вселен: ной. Для описания геометрических свойств Вселенной в общей теории относительности важны только интеграль­ные характеристики, такие, как распределение и движе­ние вещества, его давление и плотность, а в каких фор­мах это происходит — неважно. В этом разделе мы рассмотрим, как менялись физические условия во Все­ленной в процессе расширения.

Обратимся к элементу объема Вселенной, рассмот­ренному выше. В силу однородности и изотропности на­шей модели Вселенной этот объем является независи­мым по отношению к другим. Более того, можно считать, что наш элемент объема практически не взаимодейству­ет с окружающей частью Вселенной. Тогда излучение и вещество в этом объеме мы можем рассматривать как находящиеся внутри сосуда с идеально отражающими стенками. Объем этого сосуда непрерывно увеличивает­ся согласно закону, представленному на рис. 8, т. е. V ~ l3 ~ R3(t). Так как вещество и излучение внутри объема ведут себя независимо от окружающей части Вселенной, то поэтому при расширении сохраняется полная энергия вещества.

Для нерелятивистского движения энергия равна про­сто массе покоя вещества, умноженной на скорость све­та в квадрате, поэтому закон сохранения энергии озна­чает просто сохранение полной массы вещества при рас­ширении. Отсюда следует, что плотность вещества меняется обратно пропорционально объему. Что касается плотности излучения, заполняющего этот объем, то она с увеличением объема падает еще быстрее.

Действительно, из наблюдаемого характера черно­тельного реликтового излучения следует, что оно прак­тически не взаимодействует с веществом, т. е. реликто­вое излучение по крайней мере в настоящее время не поглощается и не переизлучается. Следовательно, в про­цессе расширения должно сохраняться полное число фо­тонов. А это означает, что плотность фотонов должна также меняться обратно пропорционально объему. С другой стороны, при расширении из-за красного смеще­ния энергия каждого фотона уменьшается обратно про­порционально размерам объема. Следовательно, плот­ность вещества реликтового излучения, пропорциональ­ная произведению плотности фотонов на их энергию, должна меняться обратно пропорционально четвертой степени размеров элемента объема Вселенной. Учиты­вая пропорциональную зависимость между l и R, можно записать полученные условия в виде qв ~ R-3(t), qp ~ R-4(t), Tр ~ R-1(t). Здесь мы также записали зави­симость температуры реликтового излучения от R. Наб­людения показывают qв0< • qкр, поэтому в настоящую эпо­ху R(t) ~ t2/3 , или qв ~ 5 • 10-10t-2, qp ~ 10-6t-5/3, Tр ~ 2 • 107t-2/3 (t в годах). Учитывая это, легко рассчитать мо­мент времени t1, когда плотность излучения становится сравнимой с плотностью вещества. Получим тот момент времени, до которого основной вклад в гравитацию да­ет излучение и когда темп расширения был иной, чем сейчас. Этот момент определяется из условия равенства плотностей вещества и излучения и приходится на мо­мент времени t1 ~ 104 лёт от начала расширения. Здесь за t0 = 2 • 1010 лет мы приняли «возраст Вселенной» — время, прошедшее от начала расширения до настояще­го момента в нашей модели. Интересно, что в момент равенства плотностей температура реликтового излуче­ния была уже около 10 000° К и максимум излучения приходился (эту область спектра можно рассчитать по закону смещения Вина) на видимый диапазон в районе длины вол­ны 3000 А.

Таким образом, на ранних стадиях расширения Вселенной основной вклад в гравитирующую массу дает ре­ликтовое излучение, так что плотность излучения и его температура безгранично увеличиваются. Такое рассмот­рение приводит к тому, что в прошлом были высокими не только плотности вещества и излучения, но и их тем­пературы, т. е. Вселенная в прошлом была очень «горя­чей». В силу этого космологическую модель расширяю­щейся Вселенной с излучением называют горячей мо­делью Вселенной…

Так как на ранних стадиях расширения основной вклад в гравитацию уже дает излучение, то это приво­дит к увеличению темпа расширения Вселенной в прош­лом. Это видно из наклона кривой на рис. 8. Простой расчет с использованием результатов предыдущего раз­дела дает закон для изменения температуры излучения и для температуры вещества в тот период T(t) = 1010t-1/2. В этой формуле мы уже учли современное значение тем­пературы излучения; время выражено в секундах с мо­мента начала расширения.

Знание законов изменения всех параметров в рас­ширяющейся Вселенной позволяет нам качественно опи­сать физические условия, имевшие место в ней.

Современная физика мало что может нам сказать о процессах, происходивших в момент начала расширения Вселенной и в последующие десятитысячные доли секун­ды. Следствия релятивистской космологии не входят в противоречие друг с другом вплоть до плотностей 1094 г/см3, которые достигаются в момент времени 10-44 с начала расширения. Эру до этого момента времени мы можем назвать эрой квантовой космологии, и о ней мы ничего не можем сказать.

Также мы мало что можем сказать о физических про­цессах, происходивших в последующие моменты време­ни вплоть до 10-4 с. Этот промежуток называют эрой тя­желых частиц, или адронной эрой. В этот промежуток времени основной вклад в гравитацию дают адроны (ме­зоны, барионы), хотя и существуют легкие частицы — лептоны (фотоны, нейтрино и др.). Характер процессов, происходивших в тот период, совершенно неясен. Экс­перименты на современных ускорителях позволяют ис­следовать взаимодействия частиц с энергиями в сотни тысяч гигаэлектронвольт (около 1014эВ). В этих опытах редко удается наблюдать частицы с такими энергиями, в то время как в адронную эру основная масса вещества Вселенной приходилась на частицы с энергиями в миллиарды и более гигаэлектронвольт.

Адронная эра представляет собой один из наиболее интересных аспектов астрофизики высоких энергий. Бо­лее глубокий анализ теории гравитации и теории эле­ментарных частиц для того периода может привести к открытию новых физических законов, прольющих свет на наиболее фундаментальные проблемы начала расши­рения и дальнейшей эволюции Вселенной. Несмотря на неопределенность знаний о процессах в адронную эру, все же можно сделать несколько важных выводов в рам­ках горячей модели Вселенной. Во-первых, уже в адрон­ную эру должно быть небольшое отличие количеств ча­стиц и античастиц, приведшее к тому, что в современ­ную эпоху Вселенная состоит из реальных частиц. Это отличие составляло всего миллионные доли процента. Во-вторых, все частицы в эту эпоху находились в термо­динамическом равновесии, поэтому соответствующая этой эпохе температура характеризует температуру как вещества, так и излучения. Это равновесие поддержи­вается за счет эффективного взаимодействия между все­ми частицами. В частности, интенсивно идут процессы аннигиляции и рождения пар частиц и античастиц. В-третьих, к концу адронной эры, когда температура упа­дет до 1012°К, процесс аннигиляции для адронов стано­вится необратимым, и они практически все исчезают (ос­таются одни лептоны и небольшое количество барионов, для которых не хватило античастиц, чтобы проаннигилировать). Необратимость процесса аннигиляции в кон­це адронной эры связана с тем, что для обратной реак­ции необходимо, чтобы лептоны обладали более высо­кими энергиями, чем та, которая соответствует темпе­ратуре 1012°К.

В следующую, лептонную эру основной вклад в гра­витацию дают легкие частицы — мюоны, электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино, фотоны. Эта эра длится вплоть до 10 с после начала расширения. Тем­пература в этот период меняется от 1012 до 1010 °К. Про­цессы, происходящие в этот период, достаточно изуче­ны, чтобы сделать некоторые определенные выводы. Ве­щество и излучение находятся в термодинамическом рав­новесии за счет процессов эффективного взаимодействия при аннигиляции частиц и античастиц и процессов, об­ратных этой реакции, К концу этого периода температура и плотность понижаются настолько, что реакции, обратные аннигиляции, не могут идти, и все частицы и античастицы аннигилируют. Лептонная эра завершается аннигиляцией электронов и позитронов. Почти в тот же период времени прекращается взаимодействие нейтрино с веществом и излучением, в то время как остальные компоненты вещества и излучение эффективно взаимо­действуют, оставаясь в термодинамическом равновесии друг с другом. В момент прекращения взаимодействия нейтрино с другими компонентами вещества Вселенной температура нейтрино была около 1010°К, и они имели равновесное распределение. В ходе дальнейшего свобод­ного расширения и адиабатического охлаждения Вселен­ной температура нейтрино должна упасть примерно до 2°К к настоящему моменту. Так как нейтрино участво­вали в расширении независимо от вещества, то они должны сохранить информацию о процессах, которые имели место в конце лептонной эры. Регистрация этих реликтовых нейтрино пока выходит за пределы имею­щихся в настоящее время экспериментальных возмож­ностей.

К концу лептонной эры образовалось основное коли­чество гелия. Мы знаем, что гелий может образовывать­ся из водорода при ядерных реакциях синтеза. Эти ре­акции, например, идут в недрах звезд и служат источни­ком их энергии. Сейчас во Вселенной наблюдается око­ло 30% гелия по массе, а остальная часть приходится на водород (другие элементы составляют ничтожную часть вещества). Оказывается, что за все время эволю­ции Вселенной звезды не могли переработать столько водорода, чтобы образовать наблюдаемое количество ге­лия. Именно эта трудность и то, что гелий может обра­зовываться только при высоких температурах, и заста­вили американского физика Дж. Гамова предложить го­рячую изотропную и однородную модель Вселенной. Из. анализа расширения горячей Вселенной он и предска­зывал существование реликтового излучения, которое за­тем, более чем через 15 лет, было обнаружено (на возможность подтверждения горячей модели Вселенной при помощи радионаблюдений реликтового излучения в сантимет­ровом диапазоне впервые было указано в работе советских астро­физиков А. Дорошкевича и И. Новикова (1964 г.)). Дейст­вительно, условия образования гелия из водорода как раз и осуществляются в конце лептонной эры. Причем, так как гелий может образовываться только в узком ин­тервале температур, то количество образовавшегося ге­лия будет зависеть от того, как долго Вселенная нахо­дилась в соответствующих условиях. Если бы реликто­вого излучения не было, то в моменты образования ге­лия темп расширения Вселенной был бы более медлен­ным, весь водород успел бы сгореть и в настоящее вре­мя все вещество состояло бы из гелия.

Кроме того, если бы плотность реликтового излуче­ния в настоящую эпоху была слишком большой, то на ранних стадиях расширения Вселенная быстро прошла бы через стадию, когда образование гелия идет эффек­тивно, и в настоящее время мы видели бы мало гелия.

После окончания лептонной эры началась эра радиа­ции, которая длилась до момента 106 лет от начала рас­ширения. Температура в этот период менялась от 1010 до 3 • 103°К. В этот период основной вклад в гравита­цию давало излучение. Эффективно шли процессы излу­чения, поглощения и рассеяния фотонов веществом. Благодаря этим процессам вещество, состоящее из элек­тронов, протонов, ядер гелия, находилось в состоянии термодинамического равновесия с излучением. Сущест­вовали, конечно, и нейтрино, не находившиеся в равно­весии с веществом и излучением, которые свободно рас­пространялись во Вселенной. Эффективное взаимодейст­вие между излучением и веществом длилось до тех пор, пока температура не упала до 3 • 103°К. В этот момент энергия квантов уменьшилась настолько, что они уже не способны были ионизовать атомы и не мешали ионизо­ванному веществу рекомбинировать (рекомбинация — процесс захвата электрона ионом с образо­ванием нейтральных атомов и излучения). При рекомбина­ции свободные протоны захватывают электроны, обра­зуя нейтральный атом водорода, а ядра атома гелия присоединяют к себе два электрона и образуют нейт­ральный атом гелия. В результате рекомбинации воз­никло излучение, которое затем свободно распространя­лось во Вселенной. Все вещество стало нейтральным, а температура излучения снизилась настолько, что оно практически не взаимодействовало с веществом, и в дальнейшем, сохраняя свою форму равновесного, черно-тельного излучения, дошло до нас в виде наблюдаемого реликтового излучения. Более того, как мы видели в предыдущем разделе, примерно в тот же момент реком­бинации происходила смена роли излучения и вещест­ва в динамике расширения Вселенной. Темп расшире­ния замедлился, температура излучения уже падала пропорционально t-2/3. Согласно этому закону температу­ра излучения, равная 3000° К в момент рекомбинации вещества, должна упасть до 2,7° К к настоящему момен­ту, что согласуется с наблюдаемым значением микровол­нового реликтового излучения.

Следующая эра — эра вещества. Она началась с мо­мента рекомбинации и длится до настоящего времени. Основной вклад в гравитирующую массу Вселенной в этот период дает обычное вещество; вещество и релик­товое излучение независимы друг от друга (при этом температура вещества падает быстрее температуры из­лучения). Важнейшим событием на этой стадии расши­рения Вселенной явилось образование дискретных объ­ектов: квазаров, галактик и т. д. На рис. 9 качественно представлена эволюция Вселенной. На верхней горизон­тальной шкале отложено красное смещение, на ниж­ней — время в секундах с начала расширения.

Изменение температуры вещества и излучения в процессе расширения Вселенной и горячей модели

Изменение температуры вещества и излучения в процессе расширения Вселенной и горячей модели

comments powered by HyperComments