Виктор Стенджер - Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса
Изменение массовой доли различных легких элементов относительно протонов с течением времени показано на рис. 10.3. Иллюстрация взята из онлайн-учебника Эдварда Райта по космологии{200} и основана на работе Берлса, Ноллетта и Тернера{201}. Как мы видим, максимум их продукции приходится примерно на 200-ю с, а распространенность большинства частиц снижается примерно через 1000 с. Li6 появляется совсем ненадолго, а нейтроны быстро исчезают по мере своего распада или формирования атомных ядер. Только Не4 образуется в значимом количестве.
Рис. 10.3. Массовая доля нуклонов и ядер по отношению к протонам в ранней Вселенной в зависимости от времени. Иллюстрация предоставлена Эдвардом Л. РайтомЗатем нуклеосинтез прекратился из-за отсутствия стабильных ядер, состоящих из пяти или восьми нуклонов. Как мы уже знаем, более тяжелые ядра синтезируются позднее, в условиях температуры и давления, характерных для коллапсирующих звезд.
Общепринятая модель первичного нуклеосинтеза, используемая большинством специалистов по ядерной космологии, опирается на один-единственный параметр η — отношение числа барионов к числу фотонов, имеющее порядок 10-9. Барион — родовое понятие физики частиц, обозначающее определенный класс частиц, включающий протоны и нейтроны (см. главу 11). На этом этапе жизни ранней Вселенной протоны, нейтроны и ядра, сформировавшиеся из них, были единственными существующими барионами.
Распространенность Не4 (около 25% всей массы протонов) слабо зависит от условий, существовавших в ранней Вселенной. Вот почему даже самые первые приблизительные оценки, сделанные тогда, когда об этих условиях знали еще крайне мало, оказались близкими к истине. В то же время оставшиеся легкие ядра, в особенности дейтроны (H2), очень чувствительны к массовой плотности барионов ρB которая на тот момент равнялась просто нуклонной плотности.
Барионная плотность обычно выражается соотношением ΩB = ρB/ρc, где ρc — это критическая плотность — средняя плотность Вселенной, когда положительная кинетическая энергия и отрицательная гравитационная энергия точно уравновешивали друг друга. По самым последним данным, ρc = 9,467∙10–30 г/см3. В модели Фридмана, описанной в главе 8, это ситуация, при которой коэффициент кривизны k = 0 и Вселенная представляет собой евклидово пространство, хотя, как мы вскоре увидим, k = ±1 тоже не исключается.
На рис. 10.4 приведена теоретическая и экспериментально измеренная распространенность элементов в порядке их доли относительно числа протонов. Полосами показаны экспериментальные количества, при этом ширина полос указывает на погрешность измерений{202}.
Рис. 10.4. Распространенность ядер разных элементов в зависимости от барионной плотности. Полосами показаны последние экспериментальные значения. Иллюстрация предоставлена Эдвардом Л. РайтомЭтот график не опирается на старые данные и теории, на нем представлена последняя информация на момент написания этой книги, когда появились результаты исследований микроволнового анизотропного зонда Уилкинсона (WMAP), существенно дополнившие предыдущие данные{203}. На подходе еще более точные результаты наблюдений, выполненные космической обсерваторией «Планк», однако данных, полученных WMAP, вполне достаточно для наших целей.
Здесь указана зависимость распространенности ядер химических элементов от ΩBh2, где h — безразмерный множитель, который вводит поправку на возможные изменения эмпирического значения постоянной Хаббла H0 (не следует путать здесь h с постоянной Планка). Итак, космологи считают Н0 = 100h километров в секунду на мегапарсек. По последней оценке h = 0,71.
Оценить первичную распространенность элементов нелегко. Ученым приходится опираться на значения, измеренные для современной Вселенной, а затем вычислять, какая доля приходится на первичные элементы.
Не4 также образуется в звездах в ходе первичной реакции ядерного синтеза, протекающей в их недрах, однако он выходит наружу только тогда, когда они взрываются сверхновыми, а это происходит только с самыми тяжелыми звездами. Не4 можно наблюдать в горячем ионизированном газе в других галактиках и так называемых звездах с низкой металличностью, при этом металлом считается любой элемент после гелия, то есть такие звезды, вероятнее всего, состоят преимущественно из первичного вещества.
Все еще существуют некоторые разногласия относительно точного соотношения Не4 и протонов, однако расчеты становятся все более точными{204}. На самом деле, как и в случае упомянутого ранее ограничения, которое космология накладывает на количество типов нейтрино, распространенность гелия также прочно связана с точным временем жизни нейтронов, так что тут мы снова видим, как важна субатомная физика для космологии и наоборот{205}.
Дейтерий, Н2, имеет очень нестойкое ядро, состоящее из протона и нейтрона. Оно легко разрушается в ходе ряда астрофизических процессов. Последняя оценка его первичной распространенности основана на наблюдении линий поглощения в очень далеких межгалактических облаках, где его источником являются квазары.
Li7 образуется и разрушается в звездах. Его первичную распространенность оценили на основании его распространенности в атмосферах самых старых звезд в гало нашей Галактики, которые, как считается, еще не сильно истощили свои запасы лития.
Первичный Н2 превращается в звездах в Не3, однако данные измерений говорят о том, что их суммарная распространенность примерно постоянна. Поэтому распространенность Не3 вычисляют, вычитая из этой суммы распространенность Н2, оцененную другим способом.
Как можно увидеть на рис. 10.4, модель первичного нуклеосинтеза в значительной степени согласуется с данными наблюдений. Первичная распространенность ядер четырех элементов рассчитана точно на основании единственного параметра — барионной плотности. Все ядра, кроме Не4, сильно зависят от этого параметра, хотя точные значения их распространенности рассчитаны математически. Все пять значений полностью соответствуют данным наблюдений.
Благодаря Дэвиду Шрамму, а также его студентам и коллегам модель Большого взрыва прочно укрепилась, подтвержденная этими данными. Ни одна из альтернативных теорий, которыми еще бросаются некоторые ученые, и близко не подошла к такому результату. На самом деле они даже не представляют, как это можно сделать. Давайте посмотрим правде в глаза. Большой взрыв произошел.
Переходим к атомам
Спустя 30 минут после возникновения Вселенной все успокоилось. В то время температура достигала 300 млн. градусов, а средняя кинетическая энергия — порядка 25 кэВ, при этом она постоянно снижалась. Ядерные реакции остановились, поскольку температура теперь была для них слишком низкой. Электроны, которых когда-то было примерно столько же, сколько фотонов, практически полностью аннигилировали в реакции с позитронами, остался всего один электрон на миллиард благодаря асимметрии между материей и антиматерией. Эта асимметрия, без которой не существовало бы Вселенной, какой мы ее знаем, до сих пор не до конца понятна ученым. Об этом мы поговорим позднее, в главе 11.
В этот момент Вселенная по большей части (за исключением темной материи) состояла из фотонов (69 96) и нейтрино (31%), количество протонов, электронов и ядер Не4 было в миллиарды раз меньше, и еще меньше встречалось ядер He3, Li7, Be7 и дейтронов. Нейтроны либо исчезли в процессе бета-распада, либо были поглощены ядрами.
Число протонов (плюс другие ядра) и электронов совпадает не случайно, хотя некоторые религиозные апологеты утверждают, что это еще одно стечение обстоятельств, подстроенное Богом{206}. На деле же их равенство следует из закона сохранения заряда: согласно разумному предположению, подтвержденному экспериментальными данными, суммарный заряд Вселенной равен нулю{207}.
Период в жизни Вселенной, описанный в предыдущем разделе, называется эпохой доминирования излучения, поскольку число фотонов все еще превосходит количество всех остальных частиц, кроме нейтрино. В отличие от нейтрино эти фотоны продолжали вступать в значимые взаимодействия с остальной материей.
Стоит прояснить один момент: космологи разграничивают понятия «излучение» и «материя». Частица считается излучением, если ее кинетическая энергия намного больше потенциальной, вследствие чего она движется со скоростью света или близкой к ней. В таком случае ее движение должно описываться кинематикой эйнштейновской специальной теории относительности. Поскольку самыми массивными частицами в ранней Вселенной были ядра с энергией покоя менее нескольких гигаэлектрон-вольт (см. рис. 10.2), до 10-10 с существовало только излучение.
