Гаряча модель Всесвіту та походження реліктового випромінювання

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

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 q_в ~ R^-3(t), q_p ~ R^-4(t), T_р ~ R^-1(t). Здесь мы также записали зави­симость температуры реликтового излучения от R. Наб­людения показывают q_в^0< • q_кр, поэтому в настоящую эпо­ху R(t) ~ t^2/3 , или q_в ~ 5 • 10^-10t^-2, q_p ~ 10^-6t^-5/3, T_р ~ 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

• ← Релятивістська космологія
• Утворення галактик та реліктове випромінювання →