Текст книги "Черные дыры и Вселенная"

Автор книги: Игорь Новиков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 15 страниц)

Забавно, что даже сам автор измерений не придал им должного значения не только в 50-х, что легко объяснить, но даже после опубликования открытия реликтового излучения в 1965 году А. Пензиасом и Р. Вилсоном. Правда, в то время Т. Шмаонов работал уже совсем в другой области. Только в 1983 году в результате полуслучайных разговоров было обращено внимание на старые измерения, и Т. Шмаонов выступил по этому поводу с докладом на Бюро отделения общей физики и астрономии АН СССР. Это было спустя 27 лет после самих измерений и 18 лет после опубликования результатов А. Пензиаса и Р. Вилсона.

Но даже это еще не все. Когда автор заканчивал эту книгу, он узнал, что были еще измерения японских радиоастрономов в начале 50-х годов, когда якобы также обнаружили фоновое излучение. Эти работы, так же как и работы Т. Шмаонова ни тогда, ни многие годы спустя не обратили на себя внимания и не были практически никому известны.

Вот как причудлива фортуна. И тем не менее вся эта история весьма поучительна. Увидеть какое-либо явление – еще не значит его открыть. Надо осознать значение обнаруженного, надо правильно его объяснить. Конечно, тут играют роль и стечение многих обстоятельств, и просто удача. Но успех никогда не приходит совершенно случайно. Он требует огромного труда, больших знаний, настойчивости и в самой работе, и в доведении ее результатов до сознания других.

Путешествие в далекое прошлое

Реликтовое излучение не возникло в каких-либо источниках, подобно свету звезд или радиоволнам, родившимся в радиогалактиках. Реликтовое излучение существовало с самого начала расширения Вселенной. Оно было в том горячем веществе Вселенной, которое расширялось от сингулярности.

Если подсчитать общую плотность энергии, которая сегодня содержится в реликтовом излучении, то она окажется в 30 раз больше, чем плотность энергии в излучении от звезд, радиогалактик и других источников, вместе взятых. Можно подсчитать число фотонов реликтового излучения, находящихся в каждом кубическом сантиметре Вселенной. Оказывается, что концентрация этих фотонов 500 штук в см ³.

Напомним, что средняя плотность обычного вещества во Вселенной около 10 ^-30г/см ³. Это значит, что, если бы мы «размазали» все вещество равномерно в пространстве, то в одном кубическом метре был бы всего один атом водорода – наиболее распространенного элемента Вселенной. В то же время в кубическом метре содержится около миллиарда фотонов реликтового излучения.

Таким образом, кванты электромагнитных волн, эти своеобразные частички, распространены в природе гораздо больше, чем обычное вещество. Реликтовых фотонов в миллиард раз больше, чем тяжелых частиц протонов. Если мы учтем, помимо водорода, и другие химические элементы, в состав ядер которых входят не только протоны, но и нейтроны, то это практически ничего не изменит в нашей оценке, так как водород – главный элемент в природе. Итак, 10 ⁹реликтовых фотонов на одну тяжелую частицу.

Мы знаем, что сегодня в каждом кубическом сантиметре межгалактического пространства около 500 фотонов, летящих с предельной скоростью во всех направлениях. Каждый фотон имеет свою энергию, соответствующую его частоте. При температуре 3° Кельвина большинство фотонов имеет энергию 10 ^-15эрг каждый. Значит, в каждом кубическом сантиметре имеется энергия реликтового излучения, равная произведению 10 ^-15эрг на 500, то есть 5*10 ^-13эрг. Согласно закону Эйнштейна каждой энергии соответствует масса. Энергии 5*10 ^-13эрг соответствует масса 5*10 ^-34грамма. Таким образом, в каждом кубическом сантиметре в наши дни есть 5*10 ^-34грамма реликтового излучения.

Напомним, что обычного вещества на каждый кубический сантиметр приходится в среднем 10 ^-30грамма. Значит, по массе вещества в две тысячи раз больше, чем реликтового излучения. Поэтому, хотя по числу штук фотонов гораздо больше, по общей массе обычное вещество сильно преобладает над реликтовым излучением. Масса реликтового излучения пренебрежимо мала.

Проследим, что было и с теми, и с другими частицами в прошлом.

В обозримом прошлом ни те ни другие частички не рождались и не исчезали. Здесь необходимы некоторые уточнения. Первое из них относится к реликтовым фотонам. Сегодняшняя Вселенная практически прозрачна для реликтового излучения. Ясно, что реликтовые фотоны в современной Вселенной в подавляющем большинстве не взаимодействуют с веществом и не могут из-за этого меняться в числе. В далеком прошлом, когда плотность вещества была велика, была велика и температура. Вещество Вселенной было ионизовано и являлось почти однородной плазмой. Оно тогда было непрозрачным для излучения. Реликтовые фотоны активно взаимодействовали с веществом. Но сколько фотонов в какой-то малый промежуток времени поглощалось в толще вещества, столько же этим горячим веществом и рождалось! Существовало, как говорят, равновесие между излучением и веществом. Поэтому и в этот период соотношение – миллиард реликтовых фотонов на один протон – оставалось справедливым.

Второе уточнение относится к протонам.

В своем далеком прошлом, в самые первые мгновения после начала расширения, во Вселенной было так горячо, что при температуре больше десяти тысяч миллиардов градусов столкновение частиц рождало протоны и их античастицы – антипротоны, нейтроны и антинейтроны. Ко всему этому мы еще вернемся. Пока мы не обращаемся к экзотическим первым мгновениям, можно считать, что и реликтовые фотоны и тяжелые частицы являются не рождающимися и не исчезающими.

Помня это, отправимся в прошлое. В прошлом плотность числа и тех и других частиц была, конечно, больше, чем сейчас, и возрастали эти плотности при углублении в прошлое в одинаковое количество раз. Значит, остается неизменным их отношение: один протон на миллиард фотонов.

Но между фотонами и тяжелыми частицами есть огромная разница. Масса тяжелых частиц все время неизменна. А энергия фотонов с расширением Вселенной уменьшается из-за красного смещения. Раз меняется энергия, значит, меняется и масса каждого фотона (эта масса целиком связана с энергией его движения). Раньше каждый фотон был энергичнее, а значит, и тяжелее.

В некоторый момент в прошлом суммарная масса миллиарда потяжелевших фотонов, приходящихся на один протон, сравнивается с массой этого протона.

В этот момент в прошлом в каждом кубическом сантиметре масса обычного вещества и масса реликтового излучения сравниваются. Произошло это, когда плотность вещества (и равная ей тогда плотность излучения) была 10 ^-20г/см ³, температура излучения и вещества тогда была около 6 тысяч градусов. Реликтовое излучение было не радиоволнами, а видимым светом. Конечно, в эту эпоху не было отдельных небесных тел, они возникли существенно позже. А еще раньше?

Еще раньше масса реликтового излучения превосходила массу обычного вещества!

Вот такое было совершенно необычное состояние. Его называют эрой фотонной плазмы.

То, о чем мы будем говорить в последующих строках, покажется кадрами из фантастического фильма. Мы подойдем к моменту начала расширения на ничтожные доли секунды – меньше одной стотысячной доли – и встретимся с совершенно необычными процессами.

На ранних стадиях расширения основную долю массы физической материи во Вселенной составляет свет и, анализируя эту стадию, мы можем на время забыть о ничтожной доли примеси к квантам света частиц обычного вещества, того вещества, которое играет основную роль в наше время, из которого состоят звезды, планеты и мы сами.

Продолжим путешествие в прошлое к сингулярности. Например, через одну секунду после начала расширения температура была десять миллиардов градусов. При меньшем времени температура еще больше. При такой огромной температуре происходят процессы рождения и аннигиляции элементарных частиц. Например, процессы рождения пар электронов и позитронов при столкновении энергичных фотонов и аннигиляции пар электронов и позитронов с превращением в кванты света – фотоны.

Для рождения пары электронов и позитронов надо затратить энергию, равную как минимум сумме масс этих частиц, умноженную на квадрат скорости света (формула Е=mc ²). Следовательно, такие процессы могут идти лишь при температуре выше десяти миллиардов градусов, когда много квантов света обладает подобными энергиями. Столкновения электронов и позитронов могут вести к рождению нейтрино и антинейтрино, возможна также и обратная реакция – столкновение нейтрино и антинейтрино рождает пару электрон – позитрон. Когда температура еще выше, возможно рождение более тяжелых частиц: протонов и антипротонов, нейтронов и антинейтронов, мезонов и других.

При температурах выше десяти тысяч миллиардов градусов существовало примерно в равных количествах множество сортов частиц (и в равных количествах их античастиц), в том числе и с большой массой. По мере расширения температура падала, и энергии частиц не хватало для рождения нар тяжелых частиц и античастиц, например, таких, как протон и антипротон. Эти частицы «вымирали».

При дальнейшем уменьшении температуры «вымирают» разные виды мезонов.

Очень важное событие происходит при времени около 0,3 секунды после начала расширения. В этот момент присутствуют кванты света, электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино (для простоты мы говорим только об одном сорте нейтрино – об электронных нейтрино).

При высокой температуре нейтрино и антинейтрино превращаются в электроны, позитроны и обратно.

Однако нейтрино – частицы, очень слабо взаимодействующие с другими объектами, для них даже плотное вещество прозрачно. И вот при 0,3 секунды после начала расширения все вещество Вселенной, включая и электроны и позитроны, становится прозрачным для нейтрино, они перестают взаимодействовать с остальным веществом. В дальнейшем их число не меняется, и они сохраняются вплоть до наших дней, только их энергия должна упасть из-за красного смещения при расширении точно так же, как температура квантов электромагнитного излучения.

Таким образом, в нашу эпоху во Вселенной, помимо реликтового электромагнитного излучения, должны существовать реликтовые нейтрино и антинейтрино. Энергия этих частиц должна равняться примерно энергии квантов сегодняшнего реликтового электромагнитного излучения, и концентрация их также примерно совпадает с концентрацией реликтовых квантов.

Экспериментальное обнаружение реликтовых нейтрино представляло бы огромный интерес. Ведь для нейтрино Вселенная прозрачна, начиная с долей секунды после начала расширения. Обнаружив реликтовое нейтрино, мы могли бы непосредственно заглянуть в далекое прошлое Вселенной, информацию о которой несут эти частицы.

К сожалению, обнаружение нейтрино столь низких энергий, какими должны быть реликтовые нейтрино, пока практически невыполнимая задача.

 

В связи с этим напомним, что на наших глазах рождается нейтринная астрономия. Мы стоим на пороге систематического исследования потоков нейтрино, рождающихся при ядерных реакциях вблизи центра Солнца. Эти нейтрино позволяют непосредственно заглянуть в центр Солнца, так как вся масса Солнца для них абсолютно прозрачна.

Нейтринное «просвечивание» Солнца позволит уточнить наши знания о его внутреннем строении. Точно так же в будущем астрофизикам предстоит осуществить нейтринное «просвечивание» нашей Вселенной.

Итак, мы посмотрели, что было во Вселенной с веществом и излучением в первую секунду. Как ни фантастична кажется возможность рассчитывать процессы в первую секунду с начала расширения, но современная физика позволяет это делать с полной надежностью.

Первые пять минут

В известной песенке поется:

 
Пять минут, пять минут,
Разобраться если строго,
Даже в эти пять минут
Можно сделать очень много...
 

Первые пять минут в жизни нашей Вселенной... Они определили основные ее особенности, в том числе и те, которые проявились миллиарды лет спустя, в наше время.

Процессы, которые последовали за уже рассмотренными нами первыми мгновениями и которые происходили в эти минуты, полные драматизма и действия грозных ядерных сил, определили существенные черты химического состава сегодняшней Вселенной.

Благодаря этим процессам звезды обладают достаточным запасом ядерной энергии. Поэтому то, что звезды светят, также есть следствие разгула стихий Вселенной в первые пять минут расширения.

Звезды и другие небесные тела возникли из небольшой примеси обычного вещества, о которой мы на время «забыли», рассматривая в предыдущем разделе фотоны и пары частиц – античастиц.

Вернемся теперь к этой небольшой примеси обычного вещества, которое находится в первые доли секунды после начала расширения в «кипящем котле» нейтрино и антинейтрино, электронов и позитронов и световых квантов. Оказывается процессы, в которых участвует обычное вещество, чрезвычайно чувствительны к тем условиям, которые господствовали в первые секунды расширения. Эти процессы обусловили химический состав вещества, из которого много позже, уже в эпоху, близкую к нашей, формировались галактики и звезды. Поэтому химический состав звездного вещества служит чувствительнейшим индикатором физических условий в начале космологического расширения.

Рассмотрим процессы, в которых участвует обычное вещество. В каком состоянии оно находится?

Прежде всего, при температуре свыше 10 миллиардов градусов не может быть нейтральных атомов – все вещество полностью ионизовано и является высокотемпературной плазмой. Более того, при подобной температуре не могут существовать сложные атомные ядра. Сложное ядро было бы моментально разбито окружающими энергичными частицами. Поэтому тяжелыми частицами вещества оказываются нейтроны и протоны. Эти частицы подвергаются воздействию «кипящего котла» энергичных электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино.

Взаимодействие с этими частицами заставляет нейтроны и протоны быстро превращаться друг в друга. Эти реакции устанавливают равновесие между нейтронами и протонами. Когда температуры достаточно велики, больше ста миллиардов градусов, концентрации нейтронов и протонов будут примерно равны.

В ходе расширения Вселенной с понижением температуры становится все больше протонов и меньше нейтронов. Равенство концентраций нарушается, потому что масса нейтрона больше массы протона и образование протона энергетически более выгодно, а значит, вероятность образования протона больше, чем нейтрона. Если бы реакции продолжались и после нескольких секунд с начала расширения, то через несколько десятков секунд количество нейтронов стало бы ничтожным.

Но скорость реакции резко зависит от температуры. С убыванием ее уменьшается скорость этих реакций, и они почти прекращаются после первых секунд расширения. Относительное содержание нейтронов «застывает» на значении около 15 процентов от, всех тяжелых частиц.

После этого, когда температура падает до миллиарда градусов, становится возможным образование простейших сложных ядер. Теперь энергии квантов и других частиц не хватает для того, чтобы разбивать сложное ядро. Все имеющиеся нейтроны захватываются протонами, давая сначала дейтерий, а потом реакции с участием дейтерия приводят в конце концов к ядрам атома гелия. Образуется также очень небольшое количество изотопа гелия-3, дейтерия и лития. Более сложных ядер в этих условиях практически совсем не образуется. Дело в том, что образование таких элементов в сколько-нибудь значительных количествах может происходить в результате парных столкновений ядер и частиц, уже имеющихся. Это значит, что образование более сложных ядер может начинаться при столкновении ядер гелия-4 с нейтронами, протонами или с теми же ядрами гелия-4. Но эти столкновения не ведут к образованию сложных ядер с относительной атомной массой 5 или 8, потому что таких устойчивых ядер нет!

Указанные причины ведут к тому, что синтез элементов в начале расширения ограничивается только легкими элементами и заканчивается примерно через 300 секунд после начала расширения, когда температура падает ниже миллиарда градусов и энергия частиц уже недостаточна для ядерных реакций. Реакции, приведшие к образованию гелия, подобны тем, что происходят при взрыве водородной бомбы. Образование элементов тяжелее гелия происходит в звездах уже в нашу эпоху. В звездах вещество находится достаточно долго, и даже не очень быстрые реакции успевают пройти. Синтез элементов тяжелее железа происходит во взрывных процессах (во вспышках сверхновых звезд). Газ, прошедший стадию нуклеосинтеза в звездах, затем частично выбрасывается из них в окружающее пространство при медленном истечении с поверхности звезд и при взрывах. Из этого газа потом формируются звезды последующих поколений и другие небесные тела.

Вернемся к синтезу легких элементов в начале космологического расширения. Так как почти все нейтроны пошли на создание атомов гелия, то нетрудно подсчитать, сколько образуется гелия. Каждый нейтрон входит в состав ядра гелия-4 в паре с протоном, поэтому доля гелия по весу будет равной удвоенной концентрации нейтронов, то есть 30 процентов.

Итак, по истечении примерно пяти минут с начала расширения вещество состоит на 30 процентов из ядер атомов гелия и на 70 процентов из протонов – ядер атома водорода. Такой химический состав вещества остается в дальнейшем неизменным, вплоть до образования галактик и звезд, когда процессы неуклеосинтеза начинают идти в недрах звезд.

Подтверждают ли наблюдения вывод о химическом составе дозвездного вещества?

Сколько гелия в природе?

Гелия очень мало на Земле. Но это связано со специфическими свойствами этого элемента и с теми условиями, в которых формировалась и эволюционировала Земля. Гелий, будучи очень летучим и инертным газом, покинул вещество Земли. Однако астрономы видят его повсюду, хотя он и очень трудно наблюдаем обычными средствами спектрального анализа.

Его обнаруживают в горячих звездах, в больших газовых туманностях, которые окружают молодые горячие звезды, во внешних оболочках Солнца, в космических лучах – потоках частиц большой энергии, приходящих к нам на Землю из космоса. Гелий оказался в самых далеких от нас объектах Вселенной – квазарах.

Весьма примечательно, что где бы его ни обнаруживали, почти всегда его по массе около 30 процентов, а остальные 70 процентов составляет водород. Примесь других химических элементов невелика. Доля их меняется от объекта к объекту, а доля гелия удивительно постоянна.

Вспомним, что именно эти 30 процентов гелия предсказываются в первичном веществе теорией горячей Вселенной. Если большая часть гелия была синтезирована в первые минуты расширения Вселенной, а другие, более тяжелые элементы синтезируются значительно позже в звездах, то именно так и должно быть – гелия везде около 30 процентов, а других элементов по-разному, в зависимости от местных условий их синтеза в звездах и последующего выбрасывания газа из звезд в космическое пространство.

Во время ядерных реакций в звездах гелий тоже синтезируется. Но доля таким образом образовавшегося гелия мала по сравнению с образовавшимся в начале расширения Вселенной.

А нельзя ли все же предположить, что все наблюдаемые 30 процентов гелия образовались тоже в звездах?

Нет, это решительно невозможно. Прежде всего при образовании гелия в звездах выделяется большая энергия, заставляющая звезды интенсивно светить. Если бы такое количество гелия было в прошлом образовано в звездах, излученный ими свет с высокой температурой должен был бы наблюдаться во Вселенной, чего на самом деле нет.

К этому можно добавить, что наблюдения самых старых звезд, которые заведомо формировались из первичного вещества, показывают, что в них гелия тоже 30 процентов. Значит, практически весь гелий Вселенной был синтезирован в самом начале расширения мира.

Так химический анализ вещества сегодняшней Вселенной дает прямое подтверждение правильности нашего понимания процессов, которые протекали в первые секунды и минуты после начала расширения всего вещества.

Триста тысяч лет эры фотонной плазмы и наша эра

В первые 100 секунд расширение в расширяющейся плазме происходил еще один вид процессов. Дело в том, что по прошествии 10 секунд от сингулярного состояния температура во Вселенной упала до нескольких миллиардов градусов. До этого во Вселенной было много электронов и позитронов, рождавшихся при энергичных столкновениях частиц. Теперь энергия столкновения уже недостаточна для их рождения. Электроны и позитроны, сталкиваясь друг с другом, аннигилируют, превращаясь в фотоны. Вся энергия, которая содержалась в электронах и позитронах, переходит в фотоны реликтового излучения.

Проходят минуты, температура продолжает падать с расширением. Закончилась аннигиляция электронов и позитронов, затухли ядерные реакции в веществе.

Это были последние активные процессы, происходившие в горячей ранней Вселенной. В ней стало слишком холодно (холоднее миллиарда градусов!), и бурные процессы стали невозможны.

Закончился буйный фейерверк жизни молодой Вселенной, и наступил длительный период спокойствия. Он продолжался около 300 тысяч лет.

Напомним, что в этот период расширяющаяся плазма все же очень горяча и полностью ионизована. Она непрозрачна для реликтового излучения, которое по массе превосходит непрозрачную плазму. В этой смеси плазмы и света имеются небольшие колебания, которые можно назвать «фотонным звуком», так как упругой силой, их вызывающей, является давление света.

Вот и все интересное, что было в эту «тихую» эпоху.

Так продолжалось до того времени, когда температура упала примерно до четырех тысяч градусов. Эта температура уже достаточно низка, и ионизованная плазма начинает превращаться в нейтральный газ. Казалось бы, событие это не столь уж важное, но оно явилось поворотным в дальнейшей судьбе Вселенной.

До этого момента ионизованный газ был совершенно непрозрачен для реликтового излучения. После превращения газа (а это в основном водород) в нейтральный, он практически совершенно прозрачен для подавляющей части фотонов реликтового излучения. С этого момента реликтовое излучение отделилось от вещества. Вся Вселенная для него прозрачна. Фотоны распространяются сквозь вещество, которое становилось все более разреженным из-за расширения и все более холодным, практически не поглощаясь.

Ну и почему же это так важно? – может спросить читатель. Дело в том, что только теперь из этого остывшего нейтрального газа могут формироваться небесные тела.

За эрой фотонной плазмы наступает эра формирования структуры Вселенной.

Можно считать, что началом современной эпохи в истории Вселенной был процесс образования отдельных гигантских по размерам комков в первоначальном, почти однородном веществе, комков, из которых впоследствии возникли галактики и их скопления. Образование комков происходило под действием сил гравитации, и весь процесс получил название «гравитационной неустойчивости».

Еще у И. Ньютона были высказывания о том, что однородное вещество должно собраться в комок или в отдельные комки под влиянием взаимного тяготения частичек. И. Ньютон писал: «Если бы все вещество нашего Солнца и планет и все вещество Вселенной было равномерно рассеяно по всему небу и каждая частица обладала бы врожденным тяготением ко всему остальному и если бы все пространство, по которому было рассеяно это вещество, было бы тем не менее конечным, то все вещество на наружной стороне этого пространства благодаря своему тяготению стремилось бы ко всему веществу, находящемуся внутри пространства, и как следствие упало бы в середину полного пространства и образовало бы там одну большую сферическую массу. Однако если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, оно никогда не собралось бы в одну массу; часть его могла бы собраться в одну массу, а часть – в другую, так что образовалось бы бесконечное число больших масс, разбросанных на больших расстояниях друг от друга по всему этому бесконечному пространству. Так могли образоваться Солнце и неподвижные звезды». Значит, однородное вещество стремится под действием тяготения распасться на отдельные комки. Это «стремление» имело место с самого начала расширения однородного вещества Вселенной. Но оно почему-то не распалось! Действительно, если бы такой процесс произошел в самом начале расширения Вселенной, то ничего похожего на галактики и звезды при этом не возникло бы. Ведь вещество было чудовищно плотным. Возникшие в нем комки должны были быть еще плотнее. Такого во Вселенной мы не наблюдаем. Во всяком случае, не наблюдаем в больших количествах. Галактики обладают скромной средней плотностью. Значит, они возникли в эпоху сравнительно близкую к нам, когда расширяющееся вещество Вселенной стало достаточно разреженным. Только тогда проявилась гравитационная неустойчивость. До этого что-то мешало «сработать» этому механизму. Это «что-то» было давлением реликтового излучения.

Давление реликтовых фотонов огромно. Если где-то случайно возникал сгусток плазмы вместе с фотонами реликтового излучения, то силы тяготения, конечно, стремились усилить этот сгусток, в полном соответствии с описанием И. Ньютона. Но этим силам противостояли мощные силы давления фотонов, для которых плазма была непрозрачной. Они распихивали сгусток, и гравитационная неустойчивость не могла проявиться.

 

Только после превращения горячей плазмы в нейтральный газ стало возможным проявление гравитационной неустойчивости. Газ теперь прозрачен для реликтового излучения. Возникший комок газа в ходе сжатия силами тяготения не испытывает сопротивления давления фотонов, они свободно выходят из зарождающегося сгустка. Только силы газового давления могут оказывать сопротивление. Но это давление гораздо слабее фотонного, и если сгусток достаточно велик по размеру, то силы газового давления не могут побороть тяготение. Проявляется гравитационная неустойчивость.

Прежде чем познакомиться с тем, как конкретно проявляется гравитационная неустойчивость, нам придется обратиться к еще одной загадке, вставшей на пути исследователей.