1. После Большого взрыва

   О том, как устроена Вселенная, мы можем судить благодаря созданным человеком приборам, позволяющим заглянуть на невообразимо далекие расстояния, которые трудно представить. Если сравнить их с принятой в астрономии единицей длины - световым годом (1 световой год = 9.5^.10¹² км или ~0.3 парсека (1 парсек ~ 3.1^.10¹³ км)), то расстояния до видимых приборами источников можно оценить в 5000 миллионов парсек или 15 миллиардов световых лет! Наблюдаемая сегодня Вселенная - огромные объединения звезд - галактики, мелкими вкраплениями заполняющие, на первый взгляд, пустое пространство. Но, на самом деле, все пространство Вселенной заполнено тем, что мы называем веществом и излучением.
    Вначале о веществе. Вещество состоит из атомных ядер - нуклидов. В ядре находятся протоны и нейтроны. Их называют нуклонами. Число протонов определяет заряд ядра (Z), а общее число протонов и нейтронов (N) - массовое число, или массу ядра (А), т.е Z + N = A Фактически эти два параметра ядра - Z и A - определяют характеристики нуклида и самого вещества.
    Так, например, водород, наиболее распространенный и легкий элемент во Вселенной, имеет Z = 1 (его обозначение ¹Н), а среди наиболее тяжелых и редких - уран имеет Z = 92 (⁹²U). Одной из задач астрофизики как раз и является выяснение происхождения и распространенности отдельных нуклидов во Вселенной, а их примерно 300.
    История Вселенной насчитывает более чем 10 миллиардов лет. Как она возникла?

1.1. Убегающие галактики

    Великим физикам прошлого И. Ньютону и А. Эйнштейну. Вселенная представлялась статичной. 'Опасаясь' неминуемого ее гравитационного схлопывания, И. Ньютон предположил, что галактик бесконечно много. А. Эйнштейн в своей теории относительности искусственно ввел 'космологический член', обеспечивающий силы отталкивания небесных тел c большими массами. Это было в 1917 г. Но в том же переломном 1917 американец В. Слайфер опубликовал работу о разбегании космических туманностей и вслед за ним советский физик А. Фридман в 1924 г. выступил с теорией 'разбегающихся' галактик - расширяющейся Вселенной. Это было революционным переворотом в физическом представлении о нашем мире.
    Прошло еще несколько лет, и американец Э. Хаббл открыл в 1929 г. эффект разбегания галактик. Гипотеза А. Фридмана получила экспериментальное подтверждение по наблюдениям красного смещения скорости движения галактик. Оказалось, что скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них. Из экспериментального факта разбегания галактик был оценен возраст Вселенной. Он оказался равным не много не мало - около 15 миллиардов лет! Так началась эпоха современной космологии.
    Естественно возникает вопрос: а что было в начале? Всего около 20 лет понадобилось ученым, чтобы вновь полностью перевернуть представления о Вселенной.

Рис. 1.1. Диаграмма Большого взрыва - сотворения мира с основными моментами и характеристиками расширяющейся Вселенной. До 10-43 сек господствовала эпоха Великого объединения всех трех взаимодействий, закончившаяся на 10-6 сек слиянием кварков в адроны. На 10 секунде наступила эра доминирования излучения над веществом (радиационная эра). Лишь через 40000 лет вещество начало преобладать над излучением, что привело к образованию атомов (через 4000000 лет). Эра вещества продолжается до наших дней, спустя 15 миллиардов лет после Начала.

    Ответ предложил наш соотечественник - выдающийся физик Г. Гамов в 40-ые годы. История нашего мира началась с Большого взрыва (рис.1.1). Именно так думает большинство астрофизиков и cегодня.
    Большой взрыв - это стремительное падение изначально огромной плотности, температуры и давления вещества, сконцентрированного в очень малом объеме Вселенной. В начальный момент Вселенная имела гигантскую плотность и температуру. На первой секунде своего существования мир имел плотность ~ 10⁵ г/cм³ и температуру 10¹⁰ К. Современная температура ближайшей к нам звезды - Солнца в тысячу раз меньше.
    В течение короткого промежутка времени после Большого взрыва - всего 10^-36 сек - крохотная Вселенная была заполнена фундаментальными частицами. Эти частицы, в отличие от нуклидов, протонов и нейтронов - неделимы. Из них и состоят, собственно, протоны и нейтроны - основа ядерной материи. Это - фундаментальные фермионы, взаимодействующие друг с другом посредством единого, на тот период развития Вселенной, фундаментального взаимодействия. Как происходило такое взаимодействие? Через частицы. Они называются бозонами. Их четыре: фотон (гамма-квант), глюон и два бозона - W и Z. А сами фундаментальные частицы, т.е. фермионы - это шесть видов кварков и шесть видов лептонов.
    Именно эта группа частиц из 12 фермионов, взаимодействующих друг с другом посредством 4-х бозонов, по сути и есть зародыш Вселенной. Но это еще неполная картина. Среди кварков и лептонов были их антиподы - античастицы, отличавшиеся от обычных частиц знаком некоторых характеристик взаимодействия. В простейшем случае - это электрический заряд (см. рис. 1.2). Например, один из лептонов - электрон (е^-) может быть как отрицательно заряженным, так и положительно (в этом случае его называют позитроном (е⁺)). Античастицы существуют почти у всех частиц, за исключением  фотона () и некоторых других. Для них античастицами являются они сами.

Рис. 1.2. Частицы (протон и электрон) и их антиподы - антипротон и позитрон. Если электрон и позитрон отличаются друг от друга только электрическим зарядом, то протон и антипротон - разной внутренней структурой - кварками и антикварками. Спин (физическая величина, описывающая вращательное движение) у этих частиц и античастиц - одинаковые

    Сверхвысокие начальные температуры Вселенной приводили к столкновениям частиц и их взаимному превращению. Так, из пары фотонов могли образоваться электрон и позитрон, а столкновение последних (процесс взаимодействия частицы и античастицы называется аннигиляцией) привести к рождению вновь пары фотонов:

(2) (е⁺,е^-)
(е⁺,е^-) (2)

Было возможным и появление новых частиц - нейтрино () и антинейтрино ():

(е⁺,е^-) (,)

    А взаимодействие нейтрино со своей античастицей приводило вновь к появлению электрона и позитрона.
    Взаимные превращения частиц в условиях сверхвысоких температур напоминали 'кипящий суп', в котором число частиц и античастиц было равным. Это означает, что наряду с Вселенной существовала и Антивселенная. Сейчас, через многие миллиарды лет после этого момента, делаются попытки найти ее или то, что от нее осталось. Но об этом - в последующих главах книги.
    А пока вернемся к расширяющейся Вселенной первых мгновений ее существования.
    Современная физика полагает, что частицы - фермионы и бозоны, появившиеся сразу после Большого взрыва, неделимы. 'Полагает' - означает, что нет пока никаких сведений об их внутреннем строении. Фермионы и бозоны были безмассовыми где-то вплоть до 10^-10 сек развития Вселенной и составляли, так называемый 'кипящий суп', крохотной Вселенной. Они взаимодействовали друг с другом по единому закону Великого объединения.
    На 10^-36 сек эпоха Великого объединения рухнула. Характер взаимодействия частиц начал меняться. Слияние частиц и образование более тяжелых было невозможным, пока Вселенная имела высокую температуру.
    Охлаждение Вселенной продолжалось в течение 1 микросекунды. За это время частицы, наполняющие крохотную, размером не более 10^-14 см, Вселенную, приобретают массу, их энергия увеличивается, и появляются новые частицы - 'настоящие' кварки - с массой - кирпичики той материи, из которой и состоит современная Вселенная. Стало возможным слияние кварков в более массивные частицы - адроны и антиадроны.
    Но Вселенная продолжала остывать, и это привело к уменьшению числа адронов по сравнению с числом лептонов. Среди лептонов имеются нейтрино. В этот период жизни Вселенной (на этот момент ей исполнилось примерно 10 сек) нейтрино, практически не обладающие массой, оказались на свободе: их расширение происходило независимо от всех остальных частиц. Это - реликтовые нейтрино. Ожидается, что они сохранились до сих пор ( более подробно о них будет рассказано в главе 11).
    Тем временем, аннигиляция частиц продолжалась, что вызвало увеличение числа фотонов. Вселенная стала состоять практически из одного излучения - фотонов и нейтрино. Это была радиационная эра в ее развитии. Дальнейшее уменьшение температуры за счет расширения Вселенной и уменьшение энергии излучения привело к тому, что через десятки тысяч лет после Большого взрыва вещество начинало преобладать над изучением, и практически перестало взаимодействовать с излучением. А через сотни тысяч лет после Большого взрыва Вселенная как будто 'забыла' о своем исходном состоянии.
    Но нам остались 'свидетели' той эпохи - это реликтовые нейтрино и реликтовые фотоны. Если вторые уже 'пойманы' (о них пойдет речь ниже), то задача экспериментального обнаружения реликтовых нейтрино - чрезвычайно сложная, и ее не удается пока решить.

1.2. Сотворение вещества

    Радиационная эра в развитии Вселенной - чрезвычайно важный период. Именно в это время начали возникать тяжелые ядра - основа химических элементов, заполняющих периодическую таблицу Д. Менделеева. Этот процесс носит название нуклеосинтеза.
    Протон, самое легкое ядро, возникло через десятки секунд после рождения Вселенной. В это время температура и плотность Вселенной была достаточно высокой для осуществления синтеза дейтерия - ядра, состоящего из двух нуклонов, образовавшегося при соударении протона и нейтрона. Эта реакция синтеза сопровождалась генерацией фотонов и выделением энергии:

p + n ²H + + Q.

Здесь Q = 2.2 МэВ (МэВ - мегаэлектронвольт =10⁶ эВ - единица измерения энергии) - энергия, выделяемая в этой реакции синтеза. Затем в течение очень короткого промежутка времени (около 10-15 минут) произошла цепочка реакций превращения дейтерия ²H в тритий (³H - ядро из трех нуклонов) и, наконец, дейтерий и тритий образовали гелий ³He - второй по своей значимости элемент во Вселенной. Расчеты показывают, что в этот момент его образовалось на уровне 24 процентов от всех нуклонов Вселенной. Именно такое содержание гелия мы наблюдаем и в наши дни, в условиях современной Вселенной. Заметим, что вся эта цепочка реакций синтеза происходит с большим выделением энергии. При попытках человека на Земле создать мощнейшие генераторы энергии - термоядерные реакторы и водородные бомбы именно эти реакции были взяты за основу.
    Но вернемся к модели расширяющейся Вселенной. Когда возникли звезды? Предполагается, что процесс звездообразования начался 1 миллиард лет назад в результате образования неоднородностей в распределении вещества во Вселенной и гравитационного взаимодействия между отдельными его сгустками.
    Последние исследования на космических телескопах действительно обнаруживают в далеких областях Вселенной повышенные концентрации вещества - их называют 'газовыми' или 'молекулярными облаками'. Именно здесь наблюдается повышенное количество звезд. Безусловно, процесс образования звезд (по человеческим меркам) - очень медленный - сотни тысяч и миллионы лет.
    Модели формирования звезд сводятся к первичному формированию так называемой 'протозвезды' - сильно разогретому (до 10⁶ К) сгустку веществ, состоящего из атомов, лишенных своих электронных оболочек - ионов, и свободных электронов. Вещество протозвезды сжимается - коллапсирует, температура ее повышается вследствие осаждения вещества из окружающего пространства - аккреции, и внутри нее начинают происходить реакции термоядерного синтеза.
    Эти реакции развиваются при достижении массы протозвезды в 10 раз меньше массы Солнца. Этот период жизни звезды характеризуется 'выгоранием' в термоядерном котле легких элементов и образованием тяжелых. В этом плане процесс формирования звезд - важный этап процесса образования - синтеза элементов во Вселенной.
    При температуре протозвезды - 10⁶ К происходят реакции горения дейтерия - ²H + ²H с образованием трития ³H. Образование дейтерия приводит к увеличению размера протозвезды. Температура ее начинает расти из-за гравитационного сжатия, и возникают условия для последовательного сгорания вещества, начиная с водорода и кончая кремнием и железом. Водород в этой топке горит дольше всех других элементов. Звезда расходует на эту фазу энергию, но она не тускнеет, а сжимается, т.к. энергии горения не хватает на преодоление гравитационного сжатия.
    Затем во внешней оболочке звезды гелий переходит в углерод, кислород и азот. Этот период времени занимает несколько миллионов лет, уменьшаясь по мере смещения процесса термоядерного синтеза к более тяжелым элементам. Менее 1% общей массы звезды превращается в энергию.
    Число фаз горения зависит от первоначальной массы звезды. Если она больше 8 масс Солнца, то произойдут все фазы горения вплоть до железа. Синтез новых элементов в термоядерном котле заканчивается на железе - оно не вступает в дальнейшие превращения.
    Последовательная цепочка ядерных превращений в чреве звезды сопровождается увеличением ее температуры. Масса звезды растет - возникают так называемые массивные звезды - красные гиганты. Такое название они приобретают из-за преобладания красного цвета в их спектрах излучения. Размеры красного гиганта в сотни раз превышают размеры протозвезды. Красные гиганты - неустойчивые системы: они извергают во внешнее пространство свое вещество - теряют свою внешнюю оболочку (рис. 1.3).

1.3. Гибель звезд

    Ну а далее может произойти, пожалуй, одно из наиболее интересных событий во Вселенной. По мере истощения термоядерных циклов в звезде начинают преобладать гравитационные силы, которые заставляют сжиматься, коллапсировать звезду. Процесс вновь сопровождается повышением температуры. Становится возможным развал ядер железа в центральной части звезды на элементарные частицы - нейтроны, протоны и более тяжелые ядра - гелия (альфа-частицы).
    Но, кроме этого, происходит превращение пары (e⁺,е^-) в пару нейтрино - антинейтрино. Нейтрино весьма слабо взаимодействует с веществом и покидает разваливающуюся звезду. Потоки нейтрино уносят львиную долю энергии сгорающей звезды. Выход нейтринного потока сокращает время жизни звезды - циклы горения элементов сокращаются. Создается своеобразный нейтринный импульс - свидетельство взрыва звезды.
    В результате образуется звезда 'лукообразной' структуры: с очень малым по размеру железным ядром и внешней оболочки из более легких элементов (рис. 1.4). Таким образом, при взрыве сверхновой происходит превращение водорода в более тяжелые элементы - это взрывной процесс образования новых элементов.

Рис. 1.4. Многослойная структура 'горящей' звезды - красного гиганта и превращение ее в нейтронную. Горение начинается с легких элементов и заканчивается на кремнии, сере и железе. Формируется 'железная' звезда, которая взрывается вследствие гравитационного коллапса. Это - момент вспышки сверхновой. Более 90% первоначальной массы звезды уносится в пространство. От первоначального красного гиганта остается нейтронная звезда.

    Затем может произойти собственно коллапс. Он происходит, если масса железного ядра превышает некоторый предел. Начиная с этого момента, звезда коллапсирует и превращается в нейтронную звезду или пульсар с гигантской плотностью вещества. На разных стадиях температура и время горения различаются (см. таблицу 1).

Таблица 1 . Время горения звезды и испускания ею частиц.

    Требуется всего несколько секунд, чтобы звезда перешла в совершенно новое состояние, новый объект. Процесс может пойти дальше - к образованию черной дыры. Коллапс связан высвобождением энергии, передающейся наружу, к внешним оболочкам, сопровождающейся резким повышением температуры до миллиардов градусов. Это и есть взрыв сверхновой - для наблюдателя яркая вспышка звезды на небосклоне.
    Взрывная, или ударная волна, распространяющаяся от остатков сверхновой, летит через звездное пространство, создавая локальные неоднородности в распределении плотности вещества - местами разряжение, а местами уплотнения вещества. Вещество, которое образуется при взрыве самой сверхновой, рассеивается в объеме гигантского пространства галактик и перемешивается с более ранними остатками от взрывов других сверхновых с тем, чтобы вновь, в результате длительной эволюции, превратиться в звезды, часть которых вновь должна взорваться. Затем могут образоваться новые звезды, и процесс начнется сначала. Все элементы на Земле тяжелее гелия - появились в этот период времени как продукты ядерных реакций и они разлетаются по Вселенной в результате энергии взрыва сверхновых - умирающих звезд.
   Есть еще один вариант событий. Красный гигант, испытывая периодические осцилляции из-за потери вещества, может не перейти на стадию взрыва сверхновой и превратиться в белого карлика - стационарную, постепенно остывающую, звезду. Это может произойти, если по мере прекращения термоядерных реакций на стадии красного гиганта, масса звезды станет меньше массы Солнца. Напротив, если же масса звезды достигнет нескольких масс Солнца, то процесс пойдет по сценарию взрыва сверхновой.
   На рис. 1.5 показана диаграмма эволюции типичной звезды, иллюстрирующая сказанное выше. Вот такой 'взрывообразный' круговорот происходит с нашей Вселенной:. Трудно представить, но все, что есть на Земле - и живая природа, и неживая - состоит из 'пыли' взрывающихся звезд.

   Взрыв сверхновой - это поистине замечательное событие, не сравнимое по своей энергетике ни с одним достоверно наблюдаемым и 'поддающимся' физическим оценкам процессом в окружающем нас мире. Достаточно сказать, что взрыв сверхновой сопровождается выделением энергии, оцениваемой в 10⁵²-10⁵⁴ эрг. Это пока рекордное энерговыделение астрофизических объектов, реально наблюдаемых и достаточно хорошо изученных.
   А наше Солнце ближайшая к нам звезда? Ей тоже грозит такая же участь - превратиться в пепел? Ведь даже в Библии (Книга пророка Исайи, 60:19) сказано:

'Не будет уже Солнце служить тебе светом дневным, и сияние Луны - светить тебе'.

И там же:

'И свет Луны будет как свет Солнца, а свет Солнца будет светлее всемеро, как свет семи дней, в тот день'.

    Превращение нашего Солнца в красный гигант   - неминуемо. Однако пройдет очень много времени, прежде чем это случится. Время горения внешних оболочек звезды (когда выгорают легкие элементы) на многие порядки превышает время выгорания более тяжелых. Сейчас на Солнце сгорает водород и пройдет очень много времени прежде, чем температура в центре нашей звезды достигнет величин, при которой станет возможным горение более тяжелых элементов. Оценки показывают, что гравитационного коллапса Солнца следует ожидать не ранее, чем через 5 миллиардов лет. Мы еще вернемся к проблеме сверхновых в последующих разделах книги, т.к. именно они ответственны за многие физические явления во Вселенной, оказывающие влияние, в том числе и на жизнь на нашей планете.
    Таким образом, сразу после Большого взрыва, а затем в процессе формирования звезд и при взрывах сверхновых, во Вселенной происходит превращение вещества - формирование его ядерного состава. Можно отметить, что именно модель Большого взрыва, краткий набросок которой был дан выше, способна описать эволюцию элементов во Вселенной и количественно продемонстрировать их распространенность на сегодняшний день.
    Наиболее распространенным элементом во Вселенной является водород. На втором месте находится гелий - его не более 10% от количества водорода. Многие данные о содержании гелия в различных астрофизических объектах Вселенной свидетельствуют в пользу модели его происхождения в первые минуты после Большого взрыва.
    Вслед за гелием в периодической системе элементов находятся более тяжелые элементы - литий (Li), бериллий (Be) и бор (В). Эти элементы, в отличие от водорода и гелия, должны скорее разрушаться, чем образовываться, при первоначальных гигантских температурах Вселенной. И действительно, по сравнению с водородом и гелием, их чрезвычайно мало в межзвездном пространстве и в составе звезд. Еще более тяжелые ядра - вплоть до железа (Fe) - образуются в результате слияния (реакций синтеза) в недрах горящих звезд. Их относительная распространенность диктуется законами ядерных реакций, приводящих к их формированию, и свойствами самих атомных ядер. Синтез элементов тяжелее железа также происходит в результате ядерных реакций, но отличающихся от реакций характерных для более легких элементов. Отсюда видно, что изучение распространенности элементов во Вселенной - один из путей изучения тех физических процессов, которые происходят на разных стадиях ее развития. Это - одна из важнейших задач астрофизики.

1.4. Наш мир - темный и светлый, или жизнь в вакууме

    Прошло около 14 миллиардов лет после Большого взрыва и мы наблюдаем современную Вселенную. Из чего она состоит? Вселенная содержит 10¹¹ галактик и ее размер приблизительно10²³ км. Средняя плотность вещества и энергии во Вселенной определяется, в первую очередь, из радиоастрономических наблюдений и с довольно хорошей точностью равна 10^-29 г/см³. Сравните это с первоначальной плотностью Вселенной сразу после Большого Взрыва - 10⁵ г/см³!
    Рассмотрим вкратце структуру ближайшей к нам Вселенной - Галактики - среды нашего обитания.

    Наша Галактика - Млечный Путь - принадлежит к так называемым Галактикам спирального типа (S - Галактики), представляющие собой вращающийся диск из водородного газа, пыли и звезд с ярко выраженными спиральными рукавами (рис. 1.6). Это - сложный астрономический объект, состоящий из ядра, - утолщения в центральной части - балджа (от английского слова 'buldge'), гало и собственно самого диска (рис. 1.7). В плотном ядре в центре диска находятся, в основном, старые звезды и в нем нет газа и пыли. В сердце нашей Галактики находится черная дыра (О черных дырах прекрасно рассказано в книге А.М. Черепащука 'Черные дыры').
    Недавно орбитальная рентгеновская обсерватория Chandrа зафиксировала мощную рентгеновскую вспышку в центре Галактики, что позволило определить размер черной дыры - не более расстояния от Земли до Солнца.
    Диск Галактики заполнен газом, пылью и, в основном, молодыми звездами. Поперечник диска имеет размер около 30000 парсек (Пк), балджа - 8000 Пк. В спиральных рукавах диска сосредоточены почти все звезды и - большая часть газово-пылевой материи.
    Диск окружен сферическим гало. Его размер на порядок превышает поперечный размер диска. В гало наход