Гаряча модель Всесвіту та походження реліктового випромінювання
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.
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 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