Текст книги "Черные дыры и Вселенная"
Автор книги: Игорь Новиков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 13 (всего у книги 15 страниц)
Глава IV.
Нейтринная Вселенная
НейтриноНейтрино! Эта частица уже не раз преподносила сюрпризы физикам, и от нее ждали новых. Но того, что случилось в 1980 году, не ожидал никто... Картина, представшая перед мысленным взором ученых, казалась более чем фантастической.
Однако попытаемся изложить все по порядку.
Первым сюрпризом было само изобретение этой частицы швейцарским физиком В. Паули в 1930 году. Именно такое слово – «изобретение» употребляет один из создателей современной нейтринной физики, академик Б. Понтекорво, описывая теоретическое предсказание существования нейтрино.
Вспоминая то время, он пишет: «Трудно найти ситуацию, где бы слово «интуиция» так соответствовало характеру научного достижения, как в случае предсказания нейтрино В. Паули.
Во-первых, 50 лет назад были известны только две «элементарные» частицы – электрон и протон, и даже идея, что для лучшего понимания природы необходимо ввести новую частицу, была сама по себе революционной...
Во-вторых, предлагавшаяся частица, нейтрино, должна была обладать совершенно экзотическими свойствами, и в особенности – огромной проникающей способностью». В. Паули «изобрел» эту удивительную частицу для того, чтобы объяснить, куда девается часть энергии, выделяемая при радиоактивном распаде ядер с испусканием электронов. Такой распад называют бета-распадом.
Дело в том, что когда определяют энергию продуктов бета-распада радиоактивных элементов, например трития в гелий, то измерения показывают, что после распада суммарная энергия всех частиц, которые непосредственно регистрируются приборами, разная в разных актах распада трития. Происходит явное нарушение закона сохранения энергии, часть энергии все время куда-то исчезает.
Даже такие корифеи физики, как, например, Н. Бор, стали говорить, что в этих процессах действительно не сохраняется энергия. И вот тут-то В. Паули совершил свое «изобретение». Он предположил, что никакого нарушения закона сохранения энергии не происходит, а просто в процессе распада, кроме регистрируемых приборами частиц, рождаются частицы еще одного сорта. Эти гипотетические частицы очень слабо взаимодействуют с обычным веществом и поэтому свободно улетают из лаборатории, не регистрируясь физическими приборами. Улетевшие частицы и уносят с собой недостающую энергию, создавая видимость ее уничтожения. Таинственные частицы получили название нейтрино.
С тех пор прошло более полувека, и, как уже говорилось, нейтрино много раз озадачивало физиков. Так, оказалось, что нейтрино не просто слабо взаимодействует с веществом, как это первоначально предположил В. Паули, а фантастически слабо. Оно совершенно свободно проходит, скажем, сквозь Землю, и не только сквозь Землю, но и сквозь Солнце, звезды, сквозь любые тела Вселенной как сквозь пустоту, как свет сквозь оконное стекло.
Именно поэтому зарегистрировать такие частицы чрезвычайно трудно. Только в 1956 году они были непосредственно обнаружены по ядерным превращениям, ими вызываемым.
Дальнейшие исследования показали, что нейтрино (вместе с его античастицей – антинейтрино. Мы не делаем в нашем рассказе разницы между ними, называя их единым термином нейтрино) бывают, по крайней мере, трех сортов – электронные, мюонные и тау-нейтрино. Каждый сорт участвует только в определенных, специфических для него реакциях.
Не станем перечислять здесь другие удивительные особенности нейтрино. Отметим только, что своеобразие их свойств было настолько загадочным, что, с одной стороны, физики только удивленно разводили руками, не в силах понять глубинные причины этого своеобразия, а с другой стороны, они почти с мистическим благоговением верили (точнее, это подсказывала им научная интуиция), что столь странная частица должна играть особую роль во Вселенной. Вот, что говорили известные физики около двух десятилетий назад.
Д. Уилер, бывший президент Американского физического общества: «В настоящее время нет никакого объяснения тому, почему нейтринные взаимодействия так слабы по сравнению с электромагнитными взаимодействиями и почему они так сильны по сравнению с гравитационными».
Любопытно, что только одна эта фраза выделена Д. Уилером в отдельную главу (!) его работы «Нейтрино, гравитация и геометрия». Для сравнения укажем, что, например, первая глава этой работы содержит более ста страниц со сложнейшими формулами.
Академик М. Марков, внесший большой вклад в развитие нейтринной физики: «Современнику трудно гадать, какое истинное место займет нейтрино в физике будущего. Но свойства этой частицы столь элементарны и своеобразны, что естественно думать, что природа создала нейтрино с какими-то глубокими, пока для нас не всегда ясными «целями».
Несколько дальше мы увидим, что это за «цели».
Открытия последнего времени, о которых пойдет речь, заставляют с еще большим вниманием отнестись к нейтрино и по-новому оценить сочетание трех великих сущностей – гравитации, нейтрино и Вселенной.
Если гравитация – главная сила, управляющая движением материи во Вселенной, то нейтрино согласно последним данным, по-видимому, главная частица Вселенной. Именно о нем, о нейтрино, нужно думать прежде всего, когда мы пытаемся понять, что есть Вселенная.
Свойства вселеннойИз предыдущих глав читатель уже знает некоторые важнейшие свойства окружающего нас макромира, надежно установленные наукой. Приведем здесь еще раз некоторые из этих бесспорных фактов, необходимых для нашего обсуждения. Прежде всего мы помним, что расширение Вселенной начиналось со сверхплотного состояния и вещество тогда было чрезвычайно горячим. От этой эпохи осталось остывшее реликтовое излучение.
Далее, надежно установлено, что в масштабах миллиардов световых лет нет заметных неоднородностей в распределении плотности вещества в пространстве, нет сверхсверхскоплений галактик. Это значит, что в таких больших маштабах нет отдельных структурных единиц Вселенной. Этот факт особенно надежно установлен по наблюдению реликтового излучения; если бы существовали неоднородности с размерами порядка миллиарда световых лет или более, то с разных направлений на небе реликтовое электромагнитное излучение приходило бы к нам с разной интенсивностью. Дело в том, что повышенная плотность ведет к повышенному полю тяготения. Фотоны реликтового излучения, выходя из этого поля тяготения, тратят дополнительную энергию, то есть «краснеют», и значит, излучение с этих направлений имеет чуть меньшую интенсивность. А такого различия интенсивности реликтового излучения не наблюдается, и, следовательно, иерархическая лестница структуры Вселенной не простирается в бесконечность. То есть в очень больших масштабах, начиная с участков размером примерно в сотни миллионов световых лет, Вселенная однородна.
Напомним еще, что наблюдения выявили характерные особенности крупнейших структурных единиц Вселенной – сверхскопления галактик. Оказалось, что в таких образованиях галактики и их скопления сосредоточены в тонких слоях, образующих стенки ячеек, внутренность которых практически пуста. Можно сказать, что распределение галактик во Вселенной напоминает пчелиные соты. В ребрах «сот» плотность галактик особенно велика. Итак, некоторые важные факты строения и эволюции Вселенной установлены надежно: это расширение Вселенной, ее первоначальное горячее состояние и нынешняя ячеистая структура.
Нерешенные проблемыСреди этих проблем непременно придется назвать механизмы возникновения структуры Вселенной.
Как, когда и почему возникла нынешняя структура Вселенной? Почему крупнейшие структурами единицы Вселенной – крупные скопления галактик и сверхскопления – имеют именно такие, а не другие масштабы и форму? Последние пятнадцать лет астрофизики-теоретики в содружестве с наблюдателями пытались ответить на эти вопросы, но до последнего времени нельзя было сказать, что главные этапы процесса образования галактик и их скоплений выяснены.
Дело в том, что нечто очень важное оставалось неизвестным. Подозрение о том, что в наших знаниях о Вселенной есть какой-то существенный пробел, зародилось сравнительно давно, еще тогда, когда в астрофизике возникла так называемая проблема скрытой массы, о которой мы говорили в одной из предыдущих глав.
Напомним, что эта проблема была четко сформулирована в начале 70-х годов и состоит она в следующем. Движение галактик в их скоплениях происходит таким образом, что приходится предполагать наличие в пространстве между галактиками какой-то невидимой массы. Она своим тяготением влияет на движущиеся объекты, но больше никак себя не проявляет. Такая же невидимая масса окружает, вероятно, и большие галактики, о чем можно судить по движению карликовых галактик и других объектов вокруг них. Эта невидимая масса и получила название труднонаблюдаемой, или скрытой, массы, и о природе ее практически ничего не было известно. Наблюдения доказывали, что скрытой массы в областях скопления галактик, должно быть раз в 20 больше, чем видимой массы, сосредоточенной в самих галактиках. Если масса всех галактик в типичном их скоплении составляет около 3*10 13масс Солнца, то масса невидимой материи оказывается около 10 15масс Солнца. Некоторые специалисты считали, правда, что наблюдения, в которых проявляется тяготение скрытой массы, недостаточно надежны, и споры вокруг этого вопроса то утихали, то разгорались вновь вплоть до самого последнего времени.
Нейтрино во вселеннойТеперь мы возвращаемся к главному герою нашего повествования – к нейтрино, К сказанному в начале главы добавим следующее. До последнего вымени считалось общепринятым, что нейтрино не имеют массы покоя и, подобно фотону, всегда движутся со скоростью света.
Давно и внимательно изучались процессы, в которых участвуют нейтрино и которые могут играть важную роль в астрофизике.
Было, в частности, установлено, что нейтрино в просторах Вселенной очень много, почти столь же много, как и реликтовых электромагнитных квантов – реликтовых фотонов. Как мы видели в предыдущей главе, дело в том, что нейтрино, как и фотоны, должны остаться во Вселенной с того начального периода расширения, когда горячее плотное вещество имело очень высокую температуру и было непрозрачным не только для света, но и для нейтрино. Тогда происходили быстрые реакции превращения друг в друга нейтрино, электронов, электромагнитных квантов и других элементарных частиц. Эти процессы могут быть надежно рассчитаны методами современной физики, и результаты расчетов показывают, что после первых десятков секунд с начала расширения Вселенной фотонов в единице объема было примерно втрое больше, чем нейтрино (вместе с антинейтрино).
Это отношение для реликтовых фотонов и нейтрино остается практически неизменным и во время последующей эволюции Вселенной, вплоть до наших дней. Мы не можем сегодня каким-либо прямым способом регистрировать реликтовые нейтрино, так как уж очень мала их энергия: при нулевой массе покоя нейтрино его энергия составляет около 5*10 -4электронвольт (эВ). Однако астрофизики могут предсказать, сколько их должно быть. Как уже отмечалось, в каждом кубическом сантиметре содержится около 500 реликтовых фотонов. Реликтовых нейтрино должно быть втрое меньше, то есть около 150 частиц в кубическом сантиметре.
Напомним также, что каждый реликтовый фотон имеет энергию и соответствующую массу 10 -36грамма, и, таким образом, плотность массы реликтового электромагнитного излучения составляет около 5*10 -34г/см 3. Это примерно в 2000 раз меньше, чем средняя плотность обычного вещества во Вселенной.
Из сказанного можно сделать вывод, что плотность массы реликтового электромагнитного излучения пренебрежимо мала. То же самое можно было бы сказать и о нейтрино: средняя плотность его массы (это, разумеется, не масса покоя, а масса, определяемая энергией частицы) еще меньше, чем плотность электромагнитного излучения, – она составляет около 1,5*10 -34г/см 3. Таким образом, ролью реликтовых нейтрино в сегодняшней Вселенной можно и вовсе пренебречь – они не только имеют ничтожную суммарную массу, но еще и практически не взаимодействуют с остальным веществом Вселенной. По крайней мере, такое мнение о роли нейтрино в нынешней Вселенной существовало у большинства специалистов до весны 1980 года.
Нейтринный экспериментВесной 1980 года группа исследователей из Института теоретической и экспериментальной физики АН СССР, возглавляемая В. Любимовым и Е. Третьяковым, опубликовала результаты многолетних экспериментов, которые указывают на отличие массы покоя электронных нейтрино от нуля. (Напомним, что для краткости мы говорим только об электронных нейтрино. А как упоминалось, существует еще два сорта нейтрино – мюонные и тау-нейтрино.) Вероятное значение массы покоя электронных нейтрино, найденное в этих экспериментах, составляет примерно 6*10 -32грамма или, в других единицах, 35 эВ. Это, в частности, значит, что электронные нейтрино не обязаны, как считалось раньше, двигаться со скоростью света, они могут двигаться с любой скоростью, меньше световой, а также находиться в состоянии покоя.
Хочется подчеркнуть огромную сложность экспериментов по определению массы покоя нейтрино и тот факт, что сами экспериментаторы не считают массу нейтрино окончательно установленной. Эта величина еще будет проверяться и перепроверяться. Однако если полученный результат подтвердится, то следствия из него будут чрезвычайно серьезными, особенно для астрономии. Скорее всего поэтому теоретики не стали дожидаться окончательных результатов в проверке величины массы нейтрино и активно стали исследовать то, что нужно будет изменить в наших представлениях о Вселенной с учетом у нейтрино массы покоя. Кстати, появляются сообщения о других экспериментах, говорящих об отличии массы покоя нейтрино от нуля, причем не только для электронных, но и для других сортов нейтрино.
Следует напомнить, что возможные последствия для астрофизики, вытекающие из гипотезы о существовании у нейтрино массы покоя, рассматривались задолго до обсуждаемых экспериментов. Еще в 1966 году советские физики С. Герштейн и Я. Зельдович рассмотрели вопрос о том, как бы сказывалась значительная масса покоя нейтрино на расширении всей Вселенной. Венгерские физики Г. Маркс и О. Шалаи также изучали возможные космологические следствия предположения о ненулевой массе покоя нейтрино.
Но все это были, так сказать, первые прикидки, анализ разных возможностей. Ситуация резко изменилась после прямого эксперимента советских физиков.
Теоретики, вооруженные указанием экспериментаторов, поднялись на настоящий штурм проблемы.
Нейтринная вселеннаяСогласно данным, полученным в ИТЭФе, нейтрино в 20 тысяч раз легче электрона и в 40 миллионов раз легче протона. Почему же теоретики считают, что эта легчайшая, ни с чем не взаимодействующая частица должна играть определяющую роль во Вселенной?
Ответ прост: во Вселенной очень много реликтовых нейтрино. В кубическом сантиметре их в среднем почти в миллиард раз больше, чем протонов, и, несмотря на ничтожную массу, в сумме нейтрино оказываются главной составной частью массы материи во Вселенной. Нетрудно подсчитать, что если масса покоя электронных нейтрино равна 6*10 -32грамма, то только их средняя плотность (не учитывая нейтрино других сортов) составляет примерно 10 -29г/см 3, а это примерно в 10—30 раз превышает плотность всего другого «не нейтринного» вещества. И значит, именно тяготение нейтрино должно быть главной действующей силой, определяющей законы расширения Вселенной сегодня. Обычное вещество по массе, а значит, и по гравитационному действию составляет только 3—10 процентов «примеси» к основной массе Вселенной – к массе нейтрино. Можно поэтому смело сказать, что Вселенная состоит в основном из нейтрино, что мы живем в нейтринной Вселенной. Именно этот вывод мы имели в виду, когда в начале главы говорили о фантастической картине, открывшейся перед глазами ученых.
Полученный вывод имеет еще одно интересное следствие.
Важнейшим вопросом, касающимся эволюции Вселенной, является вопрос о том, будет ли вечно продолжаться ее расширение. Ответ, как мы знаем, зависит от того, чему равна средняя плотность материи во Вселенной: если она больше критического значения, то тяготение этой материи через какое-то время затормозит расширение Вселенной и заставит галактики сближаться друг с другом – Вселенная сменит расширение на сжатие; если же плотность меньше критического значения, то тяготение материи недостаточно для того, чтобы остановить расширение, и Вселенная будет расширяться вечно.
Критическая плотность, по современным данным» равна, как говорилось, 10 -29г/см 3. Еще недавно считалось, что основную долю плотности во Вселенной составляет обычное вещество, для которого плотность равна примерно 3•10 -31г/см 3. Это означало, что плотность меньше критической и Вселенная должна расширяться вечно. Теперь же есть веские основания считать, что плотность только реликтовых электронных нейтрино примерно равна критической 10 29г/см 3. Следует вспомнить, что, помимо реликтовых электронных нейтрино» есть еще мюонные и тау-нейтрино. Об их массе покоя ничего не известно из прямых экспериментов, однако из теории и косвенных экспериментов следует, что если отлична от нуля масса покоя электронных нейтрино, то, вероятно, отлична от нуля и масса покоя других сортов нейтрино. Причем, вероятно, массы покоя других сортов нейтрино не меньше массы покоя электронных нейтрино. Если мы учтем это, то средняя плотность материи во Вселенной окажется больше критической. А это значит, что в далеком будущем, скорее всего через многие миллиарды лет, расширение Вселенной сменится сжатием, и причиной этого «сильнейшего» вывода оказалась «слабейшая» из частиц – нейтрино.
Происхождение галактикВернемся к вопросу о происхождении структуры Вселенной. В начале ее расширения вещество представляло собой почти однородную расширяющуюся горячую плазму. Почему же эта однородная плазма на некотором этапе распалась на комки, которые развились в небесные тела и их системы? Как появились зачатки скоплений галактик?
Согласно мнению большинства специалистов подобный процесс происходит из-за гравитационной неустойчивости: маленькие случайные начальные уплотнения вещества своим тяготением стягивают вещество и за счет этого усиливаются – сгущаются и разрастаются. Эти сгустки вещества при определенных условиях могут вырасти в большие комки, дающие начало скоплениям галактик. Основы теории, описывающей этот процесс, были сформулированы еще в 1946 году советским физиком, ныне академиком, Е. Лифшицем.
Теперь мы можем считать, что во Вселенной тяготение нейтрино оказывается важнейшим фактором, и именно это тяготение надо прежде всего учитывать при анализе роста неоднородностей вещества под действием гравитационной неустойчивости.
Общая картина роста неоднородностей представляется следующей. В самые первые мгновения после начала расширения Вселенной были случайные, очень маленькие неоднородности в распределении плотности материи в пространстве. Мы знаем, что спустя всего одну секунду после начала расширения плотность вещества уже недостаточно велика, чтобы препятствовать свободному полету сквозь него нейтрино всех сортов. Нейтрино в этот период имеют еще очень большую энергию и летят со скоростью, очень близкой к скорости света. При этом, естественно, идет выравнивание неоднородностей, создается более равномерное распределение нейтрино. Однако происходит это только в малых пространственных масштабах в районах, сравнительно малых по линейным размерам нейтринных сгущений.
Действительно, из сравнительно мелких сгущений нейтрино успевают вылететь и перемешаться с другими нейтрино достаточно быстро, усредняя, сглаживая все неоднородности. И чем больше проходит времени, тем больше (по линейному размеру) неоднородности нейтрино успевают «рассосаться». Так будет продолжаться до тех пор, пока нейтрино, теряющие энергию вследствие расширения Вселенной, не станут двигаться со скоростью заметно меньшей, чем скорость света. Расчеты показывают, что примерно через 300 лет после начала расширения скорость нейтрино упадет настолько, что они уже не будут успевать вылетать из комков большого размера. И такие комки, плотность в которых сначала лишь немного превышает среднюю, могут усиливаться тяготением, сгущаться и расти, пока среда не распадется на отдельные сжимающиеся облака из нейтрино.
Можно подсчитать, какой будет масса таких нейтринных облаков. Поскольку главным образом только первые 300 лет происходило выравнивание плотности и нейтрино двигались с околосветовой скоростью, мы приходим к выводу, что выравнивание успело произойти в участках с размерами, не превышающими 300 световых лет. В больших масштабах, в нейтринных сгустках большего размера, повышенная плотность нейтрино сохранялась, ибо нейтрино не успело из них вылететь. Затем скорость движения нейтрино резко падала, взаимное их тяготение приводило к увеличению повышенной плотности, и эти сгущения дали начало нейтринным облакам. Следовательно, масса этих облаков определится количеством нейтрино, находившихся в сфере радиусом 300 световых лет через 300 лет после начала расширения Вселенной. Расчет показывает, что типичная масса такого нейтринного облака выражается только через фундаментальные константы природы: h – постоянную Планка, с – скорость света, G – постоянную тяготения и т – массу покоя нейтрино. Первые три константы известны, и если принять, что масса покоя нейтрино действительно равна 35 эВ = 6*10 -32грамма, то окажется, что масса типичного нейтринного облака составляет примерно 1015 солнечных масс.
Так обстоит дело с массой нейтринных облаков. А какова будет их форма? Еще 10 лет назад Я. Зельдович показал, что в такого рода процессах возникающие облака должны быть очень сильно сплюснуты, что по форме они должны быть похожи на блины. Соединение множества таких «блинов», хаотично расположившихся в пространстве, даст в совокупности картину гигантских невидимых нейтринных сот.
Итак, к нашему времени в пространстве должна возникнуть ячеистая структура невидимых нейтринных облаков. А что же обычное вещество? В какие пространственные структуры соберется оно?
В начале расширения обычное вещество (это все вещество Вселенной, кроме нейтрино) тоже было распределено в пространстве почти равномерно. Масса этого обычного вещества, как мы знаем (или, точнее, как мы сейчас имеем основание считать), во много раз меньше суммарной массы нейтрино, и в начальной стадии расширения Вселенной это вещество находилось в виде горячей плазмы.
Но, как мы видели в предыдущей главе, по прошествии трехсот тысяч лет после начала расширения обычное вещество настолько охлаждается, что из состояния плазмы превращается в нейтральный газ, давление которого резко падает, – это происходит спустя миллион лет после начала расширения. Затем холодный нейтральный газ начинает сгущаться в поле тяготения возникающих нейтринных облаков, стягиваясь к их центральной части. И именно из этого сгущающегося нейтрального газа постепенно возникают скопления галактик, галактики и звезды. Так как обычного вещества по массе в 30 раз меньше, чем нейтрино, то в невидимом нейтринном «блине» с массой в 10 15солнечных масс образуется большое скопление галактик, масса которого в 30 раз меньше, то есть составляет 3*10 13солнечных масс.
Полученные наблюдательной астрономией данные о массах и форме больших скоплений галактик хорошо согласуются с данными, полученными из подобных теоретических построений.
