Глава 5. Реликтовое излучение и теория горячей Вселенной

§5.4. Реакции между элементарными частицами в горячей Вселенной

Теория горячей Вселенной позволяет справиться с одной из загадок, оставшихся "в наследство" от теории звездной эволюции. Как уже говорилось, существование почти всех химических элементов во Вселенной объясняется термоядерными реакциями в недрах звезд и во время вспышек сверхновых. И только гелий, второй по распространенности элемент после водорода (примерно 25% плотности обычного вещества Вселенной приходится на гелий, или 1/10 от числа атомов водорода), не находит своего объяснения. Казалось бы, здесь все просто: энергия звезд главной последовательности возникает при термоядерных реакциях превращения водорода в гелий. Однако оценим, сколько гелия могло возникнуть в звездах за все время эволюции Галактики. Светимость Млечного Пути составляет приблизительно 10³⁷ Дж/c, и если она была постоянной за время жизни Галактики (примерно 10 млрд. лет), то за все это время выделилось бы всего 3·10⁵⁴ Дж. Если вся энергия выделяется в результате превращения водорода в гелий (самое благоприятное предположение), то, с учетом того, что при образовании одного ядра гелия выделяется примерно 2.5·10^-12 Дж, могло бы образоваться только 10⁴⁰ кг гелия, что составляет всего примерно 1/40 долю массы Галактики (которая равна 4·10⁴¹ кг), или 1/160 по числу атомов.

В действительности, теория горячей Вселенной давно уже решила эту проблему. Дело в том, что в ранней Вселенной также должны были происходить термоядерные реакции (нуклеосинтез). Для них необходимо, чтобы температура вещества была очень большой, поскольку температура пропорциональна кинетической энергии частиц, а только частицы с очень большой скоростью движения могут преодолеть кулоновское отталкивание между ядрами, имеющими одинаковый знак. С другой стороны, температура должна быть не слишком высокой, поскольку в противном случае атомные ядра будут разваливаться при взаимных столкновениях на свои составные части — нейтроны и протоны.

Расчеты (первые из которых были выполнены Гамовым, Альфером и Херманом) показали, что в ранней Вселенной термоядерные реакции были возможны, когда ее температура была 10⁹—10¹⁰ К, а возраст 1-300 секунд. В ходе этих реакций во всем пространстве примерно одна четвертая часть массы барионного вещества Вселенной перешла в форму гелия. В ходе этих реакций образовалось также небольшое количество дейтерия (тяжелого водорода), гелия-3 (легкого изотопа гелия, ядро которого состоит из двух протонов и одного нейтрона, в то время как у обычного гелия ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов) и лития-7. Более тяжелые ядра образоваться не успели.

Предсказанное количество гелия (около 25% по массе) находится в очень хорошем согласии с содержанием этого элемента в звездах и межзвездной среде. Наряду с открытием реликтового излучения этот факт является убедительным подтверждением теории горячей Вселенной.

Что касается других легких ядер космологического происхождения, то их содержание в сегодняшней Вселенной известно еще недостаточно хорошо, но, во всяком случае, имеющиеся данные не противоречат этой теории. Наиболее интересен с этой точки зрения дейтерий. Дело в том, что его количество во Вселенной очень чувствительно к плотности барионного вещества - оно должно быть тем меньше, чем выше была концентрация протонов и нейтронов в первичной плазме (рис. 5.4.1). Таким образом, данные об обилии дейтерия в звездах и межзвездной среде могут помочь в установлении важного космологического параметра — средней плотности обычного вещества во Вселенной. Однако поскольку в недрах звезд дейтерий разрушается, надо знать количество дейтерия в очень раннюю эпоху, когда состав вещества еще не успел измениться из-за трудноучитываемого влияния звездной эволюции. А для этого необходимо исследовать максимально далекие объекты Вселенной — галактики с большими z и квазары. Наиболее надежные данные по этому вопросу получили в 1998 году американские астрономы Берлс и Тайтлер при исследовании спектров квазаров с помощью 10-метрового телескопа им. Кека. По их данным, плотность обычного вещества составляет (3.8±0.4)·10^-31 . Это в несколько раз превосходит плотность светящейся материи, т.е. того вещества, которое входит в состав звезд. Вероятно, невидимые барионы входят в состав межгалактического газа.

Когда возраст Вселенной был меньше секунды, в ней происходили различные реакции между частицами, античастицами и фотонами. При столкновении частицы и античастицы происходила аннигиляция: эти частицы взаимно уничтожаются, а вся их энергия переходит во вспышку света (испускание фотонов). С другой стороны, возможен и обратный процесс: фотон может самопроизвольно породить пару частица — античастица. В период, когда проходили эти реакции, вещество Вселенной находилось в состоянии теплового равновесия, и процессы аннигиляции и фоторождения пар в точности уравновешивали друг друга.

Заметим, что в настоящее время во Вселенной почти не наблюдается антивещества, поэтому и в ту далекую эпоху число частиц должно было немного превосходить число античастиц (барионная асимметрия Вселенной). В дальнейшем подавляющее число частиц и античастиц аннигилировали, породив огромное количество излучения, а небольшое количество нескомпенсированных античастиц и является тем веществом, из которого потом образовались звезды, планеты и, в конце концов, люди.

Глубокую гипотезу о происхождении барионной асимметрии высказал в 1967 году Андрей Дмитриевич Сахаров (1921-1989). По его мнению, избыток числа частиц во Вселенной вызван совместным действием следующих трех факторов:

1. Несохранение барионного заряда (проявлением чего является возможность спонтанного распада протона, предсказанная Сахаровым);

2. Отсутствие симметрии в свойствах частиц и античастиц;

3. Резкое нарушение термодинамического равновесия в некоторые моменты сверхранней расширяющейся Вселенной.

В настоящее время физики-теоретики в основном согласны с гипотезой Сахарова, хотя конкретный механизм возникновения барионной асимметрии еще не известен (точнее, есть несколько различных сценариев ее возникновения, которые следуют из различных вариантов теории Великого объединения сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий).

В конце этого параграфа отметим, что в настоящее время ученые строят теории сверхранней Вселенной, возраст которой не превосходил одну десятимиллиардную долю секунды. Очень популярна в настоящее время так называемая теория космической инфляции, согласно которой в первые мгновения после Большого Взрыва во Вселенной по плотности и энергии доминировало особое вакуумноподобное состояние вещества (массивное скалярное поле), благодаря которому Вселенная испытывала сверхбыстрое раздувание: за 10^-35 секунд масштабный фактор увеличился по меньшей мере в 10⁷⁰ раз! Собственно говоря, это и был Большой Взрыв. Разрабатывается также теория квантового рождения Вселенной из пены пространства-времени... Но все эти теории пока находятся далеко за пределами возможностей прямой экспериментальной проверки, и мы не будем на них останавливаться.