Астронет: Р. А. Сюняев, "Физика Космоса", 1986 Модель горячей Вселенной http://variable-stars.ru/db/msg/1189334 |
Модель горячей Вселенной
предполагает, что на ранних стадиях расширения Вселенная характеризовалась не только высокой плотностью, по и высокой темп-рой вещества. Предложена и разработана в конце 40-х гг. 20 в. Г. Гамовым и его сотрудниками (США), получила экспериментальное подтверждение после открытия А. Пензиасом и Р. Вильсоном (США) в 1965 г. в высшей степени изотропного микроволнового фонового излучения с планковским спектром и температурой 3 К.На ранних стадиях расширения в термодинамическом равновесии с веществом должно было находиться чернотельное излучение (т.е. близкое к излучению абсолютно чёрного тела, планковское, см. Планка закон излучения) с такой же, как у вещества, очень высокой темп-рой. В ходе расширения Вселенной темп-ра излучения адиабатически (см. Адиабатический процесс) снижалась. Присутствие во Вселенной чернотельного излучения - свидетеля ранней горячей стадии эволюции Вселенной - было осн. наблюдательным предсказанием М. г. В. В популярной литературе за микроволновым фоновым излучением, заполняющим Вселенную (500 фотонов/см3), закрепилось название "реликтовое излучение". Косвенным подтверждением М. г. В. служит также наблюдаемое обилие гелия, превышающее повсеместно 22% по массе, а также обнаруженное в межзвёздном газе неожиданно высокое обилие дейтерия, происхождение к-рого можно связать лишь с ядерными реакциями синтеза лёгких элементов в горячей Вселенной.
Зная совр. темп-ру реликтового излучения, можно провести экстраполяцию в прошлое, используя хорошо известные и проверенные в лаборатории законы механики, статистич., атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц. Экстраполяция законов механики и статистич. физики не вызывает сомнений вплоть до планковского времени t ~ tПл ~ 10-43 с (см. Планка постоянная) от начала расширения, когда гравитац. эффекты были того же порядка, что и квантовомеханические. При t < tПл ситуация неясна. Нерешённой остаётся и проблема о зависимости темп-ры от времени на стадии, когда темп-ра превышала 1012 К и с, т.к. совр. эксперимент в области физики элементарных частиц не даёт ответа на вопрос о зависимости числа нестабильных элементарных частиц от их массы.
Рис. 1. Основные этапы эволюции Вселенной. На осях приведены: время t, прошедшее от начала расширения, космологическое красное смещение z и температура излучения Tr. |
При ещё более высокой темп-ре Т, т.е. на ещё более раннем этапе (рис. 1), при К и с в равновесии с излучением находились различные виды мезонов, гипероны, пары протонов и антипротонов (см. Античастицы), нейтронов и антинейтронов, нейтрино и антинейтрино, др. элементарные частицы. Их концентрации были порядка концентрации фотонов . На очень ранних стадиях мир был практически зарядово-симметричным (частицы и античастицы были представлены почти в одинаковом количестве), концентрация нуклонов лишь на одну миллиардную превышала концентрацию антинуклонов. Именно эта ничтожная разница в числе нуклонов и антинуклонов впоследствии после аннигиляции частиц и античастиц привела к наблюдаемому зарядово-асимметричному миру. Такую разницу в числе нуклонов и антинуклонов, а также совр. барионный заряд мира (полное отсутствие антивещества) можно объяснить либо первичным малым превышением числа нуклонов над антинуклонами, либо несохранением барионного заряда (см. Барионная асимметрия Вселенной). Физика элементарных частиц предполагает отсутствие полной симметрии в процессах с участием нуклонов и антинуклонов. На ранних стадиях расширения при громадных плотности и темп-ре реакция взаимного превращения, рождения и аннигиляции частиц шли с колоссальной скоростью и (несмотря на малость асимметрии) могли привести к заметному (на 10-9) преобладанию барионов над антибарионами.
По мере расширения Вселенной и понижения темп-ры вещества и излучения сначала проаннигилировали антинуклоны с нуклонами, потом исчезли различные мезоны. Энергии частиц при их столкновениях не хватало для рождения пар нуклонов и антинуклонов, а процесс аннигиляции, сопровождающийся энерговыделением, шёл по-прежнему эффективно. В равновесии остались лишь фотоны, электроны и позитроны, а также три вида нейтрино: электронные, мюонные и тау. Пробег нейтрино в горячей электрон-позитронной плазме быстро (как T-5) растёт с понижением T. Поэтому уменьшение T до ~ 1010 К привело к тому, что Вселенная стала прозрачной для нейтрино всех трёх сортов. Совр. концентрация этих реликтовых нейтрино, согласно М. г. В., должна составлять примерно 75 см-3 для каждого вида, т. е. 450 см-3 для нейтрино и антинейтрино всех трёх сортов. Концентрация реликтовых нейтрино должна быть лишь ненамного (ок. 10%) меньше, чем концентрация фотонов микроволнового фона. Если нейтрино безмассовые (т.е. их масса покоя равна нулю), то их совр. температура должна быть близка к 2 К, т.е. ниже, чем у фотонов.
Когда темп-ра упала до ~ 109 K, практически проаннигилировали электроны и позитроны, отдав свою энергию и энтропию газу фотонов и подняв темп-ру излучения относительно уже не взаимодействующего с ним газа нейтрино. Благодаря этому совр. темп-ра фотонов (3 К) прибл. на 1 К должна быть выше, чем темп-ра газа безмассовых нейтрино. При Т ~ 109 K ядра существовать в большом количестве не могли, столкновения с фотонами, электронами и позитронами приводили к их разрушению. Имелись лишь протоны и нейтроны. Их столкновения с электронами, позитронами и нейтрино вели к взаимным превращениям протонов и нейтронов: n + е p + , p + е n + . В ходе дальнейшего расширения Вселенной концентрация нейтронов Nn уменьшалась в соответствии с Больцмана распределением (Np - концентрация протонов, - разность масс покоя нейтрона и протона), одновременно росла доля протонов. Темп-ра снижалась. Нейтроны n соединялись с протонами р, образуя дейтерий D: n + p D + .
Энергии тепловых фотонов уже не хватало для расщепления дейтерия и др. ядер, преобладал
процесс синтеза, поэтому шло накопление ядер и протекали дальнейшие реакции:
(*)
(Т - тритий). Нестабильный тритий распадается, превращаясь в 3Не
с периодом полураспада 12,3 года. Реакции (*) определили хим.
состав дозвёздного (см. Происхождение
химических элементов) вещества: 75-78% водорода, 25-22% гелия (по массе)
и заметно меньшие количества дейтерия, гелия-3 и лития-7. Спектр. анализ хим. состава
звёзд и туманностей в нашей Галактике показывает, что наблюдаемое обилие гелия хорошо
согласуется с предсказаниями М. г. В. Везде наблюдается более высокое (по сравнению
с предсказаниями модели) обилие гелия, что вполне естественно, ведь гелий синтезируется
также в звёздах главной последовательности
и это увеличивает его обилие по сравнению с первичным. Важнейшее значение имеют
расчёты обилия первичного дейтерия. Это обилие чрезвычайно чувствительно к плотности
барионов (суммарная масса барионов в ед. объёма) в период ядерных реакций, к-рая
пропорциональна
совр. ср. плотности барионов во Вселенной (рис. 2). Чем выше
была плотность барионов, тем более эффективно дейтерий выгорал в реакциях (*), превращаясь
в гелий. Наблюдения УФ-линий поглощения дейтерия в спектрах ярких горячих звёзд привели
к обнаружению межзвёздного дейтерия (рис. 3). Поскольку дейтерий не синтезируется
в
звёздах (в их недрах он очень быстро выгорает), то наблюдаемый дейтерий явл. первичным
и свидетельствует о том, что Вселенная действительно прошла через горячую стадию,
когда
темп-ра достигала 109-109 К.
Обилие межзвёздного дейтерия столь высоко (),
что согласуется
лишь с г/см3
(рис. 2), что в десятки раз меньше критич. плотности г/см3, H0/50
км/с/Мпк - постоянная Хаббла (см. Космология).
Рис. 2. Зависимость первичного обилия элементов от современной плотности барионов во Вселенной (согласно расчётам в рамках модели горячей Вселенной). А - массовое число. |
Рис. 3. Межзвездные линии поглощения вблизи центра широкой линии водорода (центр линии - 972,537 ) в спектре звезды Cen. |
Практически до периода рекомбинации излучение давало главный вклад в , т.е. Вселенная была радиационно-доминированной. Уже при Tr ~103 К барионы давали вклад в , сравнимый с . В дальнейшем при меньших темп-рах их вклад становится больше, чем вклад излучения. На радиационно-доминированной стадии излучение определяло темп расширения Вселенной и существовала простая связь между Tr и временем t с начала расширения: (с). При К в равновесии было много видов элементарных частиц и эта связь не была столь простой.
После рекомбинации водорода Вселенная стала прозрачной для излучения, влияние вещества на спектр и угловое распределение излучения практически прекратилось. В период падения температуры излучения от К до неск. десятков К Вселенная являла собой скучную картину практически однородного нейтрального газа и моря фотонов и нейтрино. И лишь на самой поздней стадии рост первичных возмущений плотности, обусловленный гравитационной неустойчивостью, привёл к образованию крупномасштабной структуры Вселенной, скоплений галактик, квазаров и т.д. со взрывами, мощным оптич., рентг. и радиоизлучением, ускорением космич. лучей и т.п.
Широко обсуждаются две осн. модели первичных возмущений плотности: адиабатич. и энтропийные возмущения. Адиабатич. возмущения на ранней стадии представляли собой возмущения как излучения, так и вещества. Пока длина волны возмущения l была больше горизонта ct, амплитуда возмущений на радиационно-доминированной стадии росла ~ (1 + z)-2, где z - космологич. красное смещение. Затем вплоть до периода рекомбинации при 1500 адиабатич. возмущения представляли собой стоячие звуковые волны. В малых масштабах, соответствующих массе, охваченной возмущением, , лучистая вязкость и теплопроводность приводили к затуханию возмущений. Т.о., к периоду рекомбинации сохранилась лишь длинноволновая часть спектра первичных адиабатич. возмущений плотности. Джинсовская длина волны lДж на дорекомбинац. стадии была близка к горизонту, поэтому возмущения росли лишь в масштабах, превышающих горизонт. В меньших масштабах возмущения представляли собой стоячие звуковые волны. После рекомбинации Вселенная стала прозрачной для излучения, резко упали скорость звука (от на дорекомбинац. стадии до см/с, mH - масса атома водорода) и джинсовская масса (от до ). Вновь становится возможным рост возмущений плотности во всех масштабах, превышающих . Возмущения растут до тех пор, пока их значение не достигнет , когда начинается нелинейная стадия и становится возможным выделение гравитационно связанных объектов. Согласно модели адиабатич. возмущений, из-за затухания коротковолновых возмущений первыми должны были образоваться объекты с массой , формируя характерную сетчатую структуру, сверхскопления и скопления галактик. В сгущениях плотности сформировались галактики. Образование скоплений галактик, квазаров, галактик сопровождалось сильным энерговыделением, формированием ударных волн, сильным УФ-излучением, что привело к вторичному разогреву и ионизации межгалактич. газа.
Рис. 4. Рост адиабатических возмущений плотности во Вселенной (масштаб возмущения превышает масштаб затухания и меньше масштаба горизонта на момент рекомбинации). Верхняя кривая - поведение возмущений в открытом мире с и . Этот вариант противоречит наблюдениям флуктуации реликтового излучения. Средняя кривая - эволюция возмущений в плоском мире и . Этот вариант противоречит данным об обилии межзвёздного дейтерия. Нижняя кривая соответствует случаю, когда нейтрино с эВ определяют плотность вещества во Вселенной ( ), а плотность барионов мала. Этот вариант согласуется как с данными об обилии межзвёздного дейтерия, так и с данными наблюдений флуктуации микроволнового фона. |
В случае энтропийных возмущений на начальной стадии возмущения представляют собой неоднородности в распределении барионов на фоне однородного поля излучения. Рост возмущений начинается только на стадии после рекомбинации. Затухание существенно лишь в масштабах с . Поэтому, согласно этой модели, первыми должны образоваться объекты с массой порядка джинсовской на послерекомбинационной стадии (), к-рая близка к массе шаровых скоплений.
Отметим, что во временной шкале рекомбинация прошла, когда возраст Вселенной составлял миллионы лет, а процесс образования крупномасштабной структуры начался ещё через миллиард лет. Наблюдаемая же картина со звёздами, галактиками и квазарами возникла и развивается уже десять миллиардов лет.
(Р.А. Сюняев)