Небесные помехи

Из предыдущей главы мы узнали, что, согласно расчетам Ральфа Альфера и Роберта Германа, выполненным в 1949 году, если ранняя Вселенная была настолько горячей и плотной, как того требует модель Большого взрыва, то сейчас ее должно наполнять тепловое излучение, остывшее примерно до 5 К вследствие постоянного расширения Вселенной на протяжении миллиардов лет. Большинство физиков и астрономов тех времен не обратили внимания на эти расчеты. Возможно, они не отнеслись серьезно к теории Большого взрыва, поскольку она не смогла объяснить формирование химических элементов тяжелее гелия, кроме разве что ничтожно малых количеств лития и бериллия.

Либо же они, как, например, Фред Хойл и его сторонники, могли не одобрять выводы религиозных апологетов, в том числе папы, которые утверждали, что модель Большого взрыва является научным подтверждением Божественного сотворения мира.

Этот скептицизм в отношении модели Большого взрыва укрепился еще сильнее, когда теория Хойла, Уильяма Фаулера, Маргарет Бербидж и Джефри Бербиджа, объясняющая формирование более тяжелых элементов в ядрах умирающих звезд, приобрела небывалую популярность. Когда эти звезды истощают все свои запасы водородного топлива, с ними происходит гравитационный коллапс. Условия, необходимые для ядерного синтеза, — сочетание высоких температуры и плотности — существуют в недрах коллапсирующих звезд, однако на раннем этапе развития Вселенной таких условий не было.

Тем не менее идея о существовании так называемого космического фонового, или реликтового, излучения продолжала будоражить умы ученых, очевидно, не знакомых с работой Альфера и Германа. В начале 1960-х физик из Принстонского университета Роберт Дикке занимался исследованием возможности того, что Вселенная циклически претерпевает то Большие взрывы, то Большие сжатия. Эта теория представляет одно из возможных решений космологических уравнений Фридмана. Дикке отметил, что раньше на протяжении текущей фазы колебаний наша Вселенная была значительно горячее, чем сейчас. В этом случае могло образоваться тепловое излучение, которое с тех пор остыло из-за расширения Вселенной.

В 1964 году бывший студент Дикке по имени Джеймс Пиблс рассчитал, что реликтовое излучение должно иметь температуру порядка 10 К, находясь в микроволновом диапазоне.

В Принстоне в то время работали также Питер Ролл и Дэвид Уилкинсон, сконструировавшие радиометр, с помощью которого можно было измерять характеристики излучения с длиной волны 3 см. Так возникла исследовательская группа, занявшаяся поиском реликтового излучения.

Однако тут произошла известная история, описанная, в частности, в бестселлере нобелевского лауреата Стивена Вайнберга «Первые три минуты»: принстонских физиков совершенно случайно опередили двое ученых из «Лабораторий Белла», расположенных в местечке Холмдел Тауншип, штат Нью-Джерси, всего в 40 милях от Принстона. В 1963 году радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон начали работать на высокочувствительном 7,35-сантиметровом микроволновом приемопередатчике с рупорной антенной, действующей на принципах сверхсовременной криогенной технологии, включающей квантовый СВЧ-усилитель (мазер). Этот прибор изначально предназначался для связи со спутником «Телстар», принадлежащим «Лабораториям Белла». Европейские партнеры «Лабораторий Белла» установили аналогичную систему, и американский прибор выполнял функцию запасного. Однако запасной приемник оказался не нужен, так что Пензиас и Вильсон смогли использовать его для исследований в области радиоастрономии.

Ученые решили попробовать измерить интенсивность излучения нашей Галактики вне ее плоскости, что значит за пределами Млечного Пути. Весной 1964 года они обнаружили избыточные радиопомехи, которые возникали не из-за проблем с антенной или электрическими схемами. Они сделали все, что было в их силах, чтобы исключить возможные источники шума со стороны оборудования, в том числе очистили антенну от «белого диэлектрического вещества», оставленного на ней голубями, после чего сделали вывод, что помехи вызваны внешним источником. Поскольку сигнал шел равномерно со всех сторон, влияние атмосферы Земли или даже всего Млечного Пути можно было исключить.

Радиотехники выражают шум заданного диапазона в температуре черного тела, излучение которого будет давать такой шум. В результате Пензиас и Вильсон получили температуру антенны, равную 3,5 К.

Благодаря быстрому распространению слухов в научной среде две исследовательские группы из Нью-Джерси узнали друг о друге и начали делиться информацией. В 1965 году Пензиас и Вильсон представили данные своих наблюдений в работе, напечатанной в «Астрофизическом журнале» под непритязательным названием «Измерение избыточной температуры антенны при частоте 4080 МГц». Что касается трактовки данных, авторы сослались на опубликованную ранее статью Дикке, Пиблса, Ролла и Уилкинсона на ту же тему, озаглавленную «Космическое излучение абсолютно черного тела». В1978 году Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию по физике.

Научное сообщество вскоре признало значимость их открытия, которое в конечном счете оказалось одним из важнейших астрономических достижений после открытия красного смещения галактик. Однако, чтобы подтвердить, что наблюдаемые помехи на самом деле являются тепловым излучением, требовалось больше измерений, ведь было обнаружено излучение только одной длины волны. В начале 1966 года Ролл и Уилкинсон сообщили об обнаружении излучения с длиной волны 3,2 см, подтвердив тем самым, что микроволновое излучение где-то рядом. Но требовалось больше данных.

 

Спектр

Планковский спектральный график черного тела при температуре 3 К изображен на рис. 10.1. Заметьте, что его форма отличается от представленной на рис. 6.1. Кроме того, здесь обе оси являются логарифмическими.

Следует отметить несколько фактов: обе группы из Нью-Джерси при расчетах столкнулись с так называемой областью Рэлея — Джинса, которая описана классической волновой теорией, изложенной в главе 5. Чтобы убедиться в том, что они действительно наблюдают излучение черного тела, необходимо было составить график всего спектра. Однако, хотя атмосфера относительно прозрачна для микроволн, она теряет эту прозрачность при смещении в сторону инфракрасного диапазона — как раз когда при 3 К проявляется отклонение от классической волновой теории и спектр схлопывается вследствие квантовых эффектов.

Рис. 10.1. Спектр черного тела при 3К по формуле Планка. Вертикальная ось дана в фотонах на кубический сантиметр объема на сантиметровый интервал длины волны. Линейная часть графика представляет классический спектр Рэлея — Джинса, который резко сужается в четвертом порядке длины волны. Результат измерений Пензиаса — Вильсона соответствует длине волны 7,35 см. Результат измерений Ролла и Уилкинсона при длине волны 3,2 см отмечен на графике ниже. Ни один из них не входит в квантовый диапазон. Авторская иллюстрация 

Еще в 1941 году два оптических астронома, Уолтер Адамс и Эндрю Маккеллар, наблюдали расщепление на три части межзвездной линии поглощения, соответствующей молекуле циана (CN). Маккеллар рассчитал, что две из трех линий появляются вследствие какого-то неизвестного возмущения, соответствующего температуре 2,3 К. После открытия реликтового излучения стало понятно, что расщепление вызвало излучение черного тела с длиной волны 0,263 см, что точно соответствует пику планковского спектра, изображенного на рис. 10. 1.

О Большом взрыве опять вспомнили. Предположительно, ученым удалось обнаружить отголоски взрыва, из которого появилась Вселенная. Разумеется, некоторые все еще сомневались в этом. Фред Хойл и группа его верных последователей — сторонники стационарной модели изо всех сил старались сыграть роль адвокатов дьявола, ведя поиски другого объяснения наблюдаемого излучения. Но все эти попытки делались вслепую, и им недоставало эмпирических подтверждений. Стационарная модель постепенно вышла из доверия, хотя Хойл и Джефри Бербидж продолжали сомневаться в том, что теория Большого взрыва действительно нашла подтверждение. Они требовали еще больше данных.

 

Возрождение первичного нуклеосинтеза

Еще в 1953 году Альфер, Герман и Джеймс Фоллин издали объемную работу, в которой подробно изложили все, что было известно физике того времени об условиях во Вселенной на первом этапе ее существования. Вайнберг назвал этот труд «первым подробным современным анализом ранней истории Вселенной». Однако авторы не рассматривают нуклеосинтез и не упоминают микроволновое излучение.

С открытием реликтового излучения (РИ) в 1965 году модель Большого взрыва вышла на первый план, и новые расчеты процесса первичного нуклеосинтеза были проделаны независимо Яковом Зельдовичем в СССР, Хойлом и Роджером Тейлором в Великобритании и Пиблсом в США. (Еще один маленький экскурс в суть науки: несмотря на то что Хойл резко возражал против теории Большого взрыва, он не считал недостойным провести серьезные, непредвзятые расчеты в рамках этой модели.) Хотя к тому моменту уже было ясно, что химические элементы тяжелее гелия формируются преимущественно в звездах, они составляют всего лишь около 1% общей массы атомов во Вселенной. 75% остальной массы представлены водородом, а еще примерно 24% — гелием, и Хойл признавал, что процессов, происходящих в звездах, недостаточно, чтобы образовалось такое его количество. Тем не менее он все еще не был готов признать Большой взрыв и продолжал искать другие объяснения. Однако следующее поколение космологов докажет окончательно и бесповоротно, что Большой взрыв на самом деле имел место.

 

Дэвид Шрамм: кроткий гигант космологии

В своих «Первых трех минутах» Вайнберг делает отступление, на протяжении целой главы пытаясь разобраться, почему открытие РИ произошло так поздно и по чистой случайности, в то время как уровень знаний и технологий находился на должном уровне в течение довольно длительного времени до того. Одна из причин, которые он упоминает, заключается в недостаточном обмене информацией между теоретиками, работавшими над моделью Большого взрыва, и радиоастрономами. Мы уже сталкивались с такой ситуацией ранее, в случае с Хабблом и другими астрономами-наблюдателями, крайне мало знавшими о релятивистской космологии, в то время как физики, занимавшиеся релятивистской космологией, не обращали внимания на данные наблюдений. Исключением был Жорж Леметр. Пусть он сам не проводил наблюдений, но хотя бы соотносил свои теории с их данными.

Волнующий период развития физики — 1960–1970-е годы, в которые мне довелось жить и работать, — довольно сильно отличался в этом отношении. К тому времени междисциплинарные связи существенно улучшились. Хотя у нас еще не было Интернета, но были телефоны, факсы, ксероксы и реактивные самолеты, позволявшие нам встречаться и беседовать друг с другом. Теоретики и экспериментаторы ходили друг к другу на семинары, вместе обедали и пользовались общим кофейником в лаборатории. Я дважды проводил творческий отпуск в лаборатории ядерной физики Оксфордского университета: там было принято делать один перерыв утром, чтобы выпить кофе, и один днем, во время которого все пили чай (самый лучший и дешевый в городе), сидя вместе за маленькими столиками в большой общей комнате и обсуждая последние новости физики. Иногда к нам присоединялся кто-нибудь из известных личностей.

К 1979 году преграды между сферами научных интересов физики и астрономии также начали рушиться. Одним из основоположников новой научной традиции был Дэвид Норман Шрамм — колоссальный человек, рыжий гигант под два метра ростом и весом около 120 кило, альпинист, участник Олимпийских игр по греко-римской борьбе, которому и посвящается эта книга. Шрамм в 1971 году окончил аспирантуру в Калифорнийском технологическом институте под руководством Вилли Фаулера, будущего нобелевского лауреата, который, как мы уже знаем, работал с Фредом Хойлом в области звездного нуклеосинтеза.

В 1974 году Шрамм начал работать в Чикагском университете, где с 1978 по 1984 год возглавлял кафедру астрономии и астрофизики, а в 1995 году стал проректором по научно-исследовательской работе. В Чикагском университете Шрамм был лидером и наставником исследовательской группы, состоящей из теоретиков нового поколения, овладевших ядерной физикой, физикой элементарных частиц, астрофизикой и релятивистской космологией. Члены этой группы применяли в работе общие знания, выстраивая значительно более подробную картину ранней Вселенной и видя, как она успешно подтверждается новыми, все более точными данными астрономических наблюдений, которые постоянно пополнялись, в частности, благодаря космическим телескопам. Родилась новая научная область, названная астрофизикой частиц, и Дэвид Шрамм был ее отцом.

С помощью Леона Ледермана, еще одного будущего нобелевского лауреата и директора Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (сокращенно «Фермилаб»),что возле Чикаго, в 1982 году Шрамм организовал в лаборатории исследовательский центр астрофизики частиц, где в сотрудничестве с Чикагским университетом закладывались основы последующей грандиозной работы. Я познакомился со Шраммом и его группой, когда участвовал в астрофизических исследованиях в области высокоэнергетических гамма-лучей и нейтрино, после экспериментов с нейтрино на ускорителе частиц в «Фермилаб». Он всегда был отзывчивым, спокойным, добродушным человеком, и его лекции — как популярные, так и специальные — было очень приятно слушать. Я считал его своим другом. У него же друзей были сотни.

В 1980 году Шрамм купил дом в городе Аспене, штат Колорадо, и начал участвовать в работе Аспенского физического центра, проводившего регулярные летние семинары, которые я время от времени посещал. Обычно он летал на собственном самолете, зарегистрированном как «Авиалинии Большого взрыва», совершающие перелеты между Аспеном и Чикаго. (Он имел лицензию пилота коммерческой авиации.) 19 декабря 1997 года он летел в Аспен на выходные, когда его самолет сорвался в штопор и разбился вскоре после заправки в Денвере. Дейву было всего 52 года. Ледерман тогда сказал, что теперь он на небесах «жарко спорит с Богом о том, что же было до Большого взрыва».

Я позаимствовал заглавие к этому разделу из эссе Денниса Овербая, опубликованного в газете «Нью-Йорк таймс». Краткую биографию Шрамма, полную обожания, но тем не менее в высшей степени информативную, написал один из выдающихся коллег Дейва, Майкл Тернер. Теперь он работает профессором именной кафедры в Чикагском университете. Тернер стал ведущим специалистом в области астрофизики частиц и 2013-м президентом Американского физического сообщества. Тернер тесно сотрудничал с Эдвардом Колбом в «Фермилаб» и Чикагском университете, и в 1990 году они издали в соавторстве классическую монографию по астрофизике частиц, озаглавив ее «Ранняя Вселенная».

Шрамм и его коллеги доказали, что необычные процессы, наблюдаемые сегодня только в физике элементарных частиц, играют ключевую роль во Вселенной — как нынешней, так и ранней. К примеру, в 1975 году они доказали, что слабое взаимодействие нейтральных токов, открытое незадолго до того, участвует в коллапсе массивных звезд, вызывающем вспышки сверхновых.

Шрамм всегда интересовался нейтрино, которые в то время были основной областью моих исследований, так что я внимательно следил за его работой. Наблюдение в ходе двух подземных экспериментов нейтрино, вылетевших во время вспышки сверхновой SN1987A в Большом Магеллановом Облаке в 1987 году, подтвердило, что эти неуловимые частицы играют важную роль в механизме возникновения сверхновых.

В своей выдающейся работе, опубликованной в 1977 году, Шрамм, Гэри Стайгман и Джеймс Ганн доказали, что космология ограничивает допустимое количество типов лептонов. Лептон — родовое название отрицательно заряженного электрона e, двух более тяжелых частиц, мюона μ и тау-лептона τ, а также связанных с ними нейтрино: νe, νμ и ντ. Каждому лептону соответствует античастица. В те времена эти три «поколения» лептонов наряду с родственными им поколениями кварков лишь недавно были найдены, и ученые не видели причин, почему их не может быть больше.

В работе Шрамма и его соавторов 1997 года доказывалось, что дополнительные нейтрино ускорили бы синтез Не4, и устанавливалось предельное количество типов нейтрино — пять, основанное на измеренном на тот момент количестве гелия во Вселенной. К 1989 году результаты расчетов распространенности гелия были уточнены настолько, чтобы установить предел, равный трем поколениям. Это согласовывалось с результатами экспериментальных измерений скрытой энергии с помощью ускорителей частиц на встречных пучках (коллайдерах). Больше нейтрино означает больше скрытой энергии, то есть энергии, не имеющей отношения к зарегистрированным частицам. Количество скрытой энергии соответствовало трем поколениям, и не более того.

Таким образом, стандартная модель элементарных частиц и сил, о которой пойдет речь в следующей главе, пришла к схеме, в которой может быть всего три поколения кварков и лептонов. Именно это и предвидел Шрамм. Пожалуй, только такой мечтатель, как он, мог вообразить, что фундаментальные сведения о природе вещества будут найдены космологами на таком сверхмикроскопическом уровне. Этот процесс идет до сих пор и, похоже, будет продолжаться годами.

 

Температура расширяющейся Вселенной

Прежде чем мы углубимся в детали ядерной физики Большого взрыва, стоит выяснить, какие виды энергии действовали на разных этапах истории Вселенной, поскольку они имеют отношение не только к ядерной физике, но и к физике в целом на каждом этапе.

Хотя Вселенная расширяется очень быстро, частицы, существовавшие на ранних стадиях ее развития, взаимодействовали еще быстрее, так что их тепловое замедление все еще обеспечивало им состояние квазиравновесия. Это значит, что частицы можно описать как имеющие абсолютную температуру Г, которая тем не менее снижается по мере расширения Вселенной.

Большинство авторов, пишущих на эту тему, дают значения температуры на разных стадиях в Кельвинах, вероятно, потому, что считают, что читатель лучше знаком с этими единицами измерения. Однако истинные значения температуры на ранних этапах жизни Вселенной столь высоки, что для нас они не имеют никакого практического смысла.

Более информативны значения средней кинетической энергии частиц во Вселенной в каждый заданный момент времени, которые с точностью, достаточной для наших целей, задаются формулой K = k B T, где kB — постоянная Больцмана. То есть температура тела — это просто средняя кинетическая энергия частиц этого тела. Поскольку kB — это произвольная постоянная, которая просто переводит кельвины в единицы измерения энергии, можно принять kB = 1 и измерять температуру в единицах измерения энергии.

Когда мы имеем дело с атомными, ядерными и субъядерными процессами, самой удобной единицей измерения энергии является электрон-вольт (эВ), который равен кинетической энергии, приобретаемой электроном при прохождении разности электрических потенциалов 1 В. Атомные процессы характеризуются энергией в несколько электрон-вольт или килоэлектрон-вольт (кэВ), где 1 кэВ = 1000 эВ. Ядерные процессы протекают с энергией порядка мегаэлектрон-вольт (МэВ), где 1 МэВ = 1000 000 эВ. Для субъядерных процессов характерна энергия порядка гигаэлектрон-вольт (ГэВ) и тераэлектрон-вольт (ТэВ), где 1 ГэВ = 1 млрд. эВ (109) и 1 ТэВ = 1 трлн эВ (1012).

Стоит отметить, что ускорители на встречных пучках позволяют нам изучать физику самых первых мгновений существования Вселенной. К примеру, когда общую энергию Большого адронного коллайдера (БАК) доведут до 14 ТэВ (что произойдет в 2015 году), это позволит физикам оценить свойства материи, существовавшей через 10-15 с после Большого взрыва, когда температура была именно настолько высока.

На рис. 10.2 показана средняя кинетическая энергия Вселенной от 10™” с существования Вселенной, планковского времени, до настоящего момента. Позже нам нужно будет подробнее поговорить о планковском времени и о том, что могло быть до него. Но пока что начнем историю с этого момента.

Рис. 10.2. Средняя кинетическая энергия частиц во Вселенной в зависимости от времени, прошедшего с момента Большого взрыва. График построен в логарифмическом масштабе по обеим осям. Его также можно рассматривать как график абсолютной температуры в зависимости от времени с температурой, выраженной в электрон-вольтах. Авторская иллюстрация

Около 380 000 лет после Большого взрыва все частицы во Вселенной находились в квазиравновесном состоянии и имели одну и ту же температуру, снижающуюся по мере расширения и охлаждения Вселенной. В это время, называемое моментом последнего рассеяния, атомы вышли из равновесного состояния, тогда как фотоны и нейтрино все еще сохраняли квазиравновесие. График в логарифмическом масштабе не должен вас обманывать. Время, прошедшее между моментом последнего рассеяния и сегодняшним днем, исходя из практических соображений, все еще можно считать равным 13,8 млрд. лет.

По мере расширения и охлаждения Вселенной разные виды частиц постепенно выходили из состояния равновесия. Позвольте продемонстрировать это на примере антипротонов. Они сталкиваются с протонами и распадаются на фотоны и другие, более легкие частицы. Рассмотрим аннигиляцию с образованием фотонов. Реакция выглядит так:

p + p - → γ + γ,

где p - — антипротон, γ — фотон. Фотоны забирают энергию покоя протона и антипротона, а также их исходную кинетическую энергию, какой бы она ни была. Также может произойти обратная реакция, при которой вновь образуются антипротоны:

γ + γ → p + p - .

Однако, поскольку энергия покоя фотонов равна нулю, их общая кинетическая энергия должна равняться по меньшей мере общей энергии покоя протона и антипротона, то есть 1876 МэВ. Итак, пока температура Вселенной превышает это значение, антипротоны и протоны будут находиться в состоянии равновесия, при этом их количество будет примерно одинаковым. Но когда температура Вселенной опустилась ниже 1876 МэВ, что произошло спустя примерно 10–7 с после ее рождения, энергии фотонов стало недостаточно, чтобы создавать пары «протон — антипротон» и количество последних стало постепенно уменьшаться.

Теперь возникает небольшая асимметрия между количеством материи и антиматерии (подробнее мы поговорим об этом в главе 11), так что, когда все антипротоны аннигилируют, остается излишек протонов. Их количество составляет один протон на миллиард фотонов, электронов, позитронов и нейтрино. Если бы не эта асимметрия, все протоны аннигилировали бы и не осталось бы строительного материала для атомов, звезд, планет, а также меня и вас.

Так же как антипротоны исчезли из ранней Вселенной, когда температура упала ниже значения, необходимого для того, чтобы их восстановить, исчезли и позитроны, когда Вселенная еще немного остыла. Давайте рассмотрим аналогичный процесс, в котором электронная пара аннигилирует с возникновением фотонов:

е + + е - → γ + γ

Чтобы позитроны возникли снова, должна произойти обратная реакция:

γ + γ → е + + е - .

Общая энергия фотонов в этой реакции должна равняться по меньшей мере общей энергии покоя позитрона и электрона, то есть 1,022 МэВ. Когда температура Вселенной опустилась ниже этого значения, что произошло спустя примерно 0,15 с после Большого взрыва, энергии фотонов стало недостаточно, чтобы создавать электронные пары, и позитроны аннигилировали. Как и в случае с протонами, из-за асимметрии между частицами и античастицами остался один электрон на миллиард. В конечном итоге, но не в следующие 380 000 лет эти электроны объединились с протонами, образовав атомы водорода. Однако прежде, чем это произойдет, должны сформироваться ядра атомов.

 

Легкие ядра

Ядро He4 было не единственным легким ядром, сформировавшимся во время Большого взрыва. На самом деле возникло значительное количество ядер H2 (дейтронов), H3 (тритонов) и Не3, а также немного Li7, Be7 и Li6. В 70-х годах XX века Шрамм и его все более многочисленные сторонники среди физиков-ядерщиков и астрофизиков начали напряженную работу по вычислению первичной распространенности легких элементов, сравнивая ее с данными наблюдений. Они обнаружили, что данные заметно согласуются. Работа продолжается по сей день, и ученые добились особенных успехов в этой области благодаря сопутствующим невероятным достижениям в области наблюдений.

Чтобы образовались ядра, нужны нейтроны. Нейтрон массивнее протона на 0,782 МэВ и образуется путем слабого взаимодействия:

e - + p ↔ ν e + n

ν - e + p ↔ e + + n,

где νe и ν-e — электронное нейтрино и электронное антинейтрино соответственно. Слабые взаимодействия, а также нейтрино и другие фундаментальные частицы мы рассмотрим в следующей главе. Заметьте, двойные стрелки указывают на то, что эти реакции обратимые.

Поскольку полная масса (энергия покоя) с правой стороны реакции больше, чем с левой, на 0,271 МэВ и 1,293 МэВ соответственно, образование нейтронов в обеих реакциях прекратилось, когда средняя кинетическая энергия Вселенной упала ниже этих значений. Вначале, примерно через 0,1 с, прекратилась вторая реакция, с большей разницей энергии, в то время как первая реакция продолжала производить нейтроны вплоть до 2 с после Большого взрыва. После этого количество нейтронов сократилось примерно до 1/6 числа протонов, поскольку в ходе бета-распада они стали превращаться в протоны:

n → p + e - + ν e .

Среднее время существования нейтрона примерно 880 с, точное значение все еще под вопросом. Первичный нуклеосинтез очень сильно зависит от этого числа.

Теперь, когда температура опустилась ниже 1 МэВ, могут образоваться ядра, поскольку их больше не будут мгновенно разрывать множество высокоэнергетических фотонов, кишащих вокруг. К этому моменту, как уже было сказано, все позитроны аннигилировали, так что нейтрино (и антинейтрино) больше нечего делать и они превращаются в реликтовое тепловое облако подобно фотонному фоновому излучению, которое появится значительно позже. Сегодня это облако формирует нейтринное реликтовое излучение (НРИ) температурой 1,95 К. Есть небольшая надежда в обозримом будущем зарегистрировать его непосредственно.

Теперь давайте посмотрим, как формировались более легкие ядра. Протон и нейтрон могут столкнуться с образованием дейтрона и фотона:

p + n → Н 2 + γ.

Вначале слабо связанные дейтроны расщеплялись в ходе обратной реакции. Но когда температура снизилась в достаточной мере, дейтроны стали контактировать достаточно долго для того, чтобы могли сформироваться нейтрон и ядро Не3:

Н 2 + Н 2 → Не 3 + n или тритон и протон:

Н 2 + Н 2 → Н 3 + p.

He4 формировался следующим путем:

Н 2 + Н 3 → Не 4 + n или

Н 2 + Не 3 → Не 4 + р.

Li7 возник в ходе такой реакции:

H 3 + He 4 → Li 7 + γ,

a Be7 — этой:

Не 3 + Не 4 → Be 7 + γ.

И так далее. Это не полный список реакций, однако он должен дать общее представление о процессе.

Заметьте, что во всех этих реакциях сохраняется как атомный номер, соответствующий символу элемента, так и нуклонное число. Первое объясняется законом сохранения заряда. Второе — частный случай более общего закона сохранения барионного числа, о котором мы поговорим позднее.

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 и основана на работе Берлса, Ноллетта и Тернера. 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. Райтом

Затем 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 ρ B 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.

Рис. 10.4. Распространенность ядер разных элементов в зависимости от барионной плотности. Полосами показаны последние экспериментальные значения. Иллюстрация предоставлена Эдвардом Л. Райтом 

Этот 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. 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 H 0 (не следует путать здесь h с постоянной Планка). Итак, космологи считают Н 0 = 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. 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.

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. На деле же их равенство следует из закона сохранения заряда: согласно разумному предположению, подтвержденному экспериментальными данными, суммарный заряд Вселенной равен нулю.

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.

Фотон всегда представляет собой излучение, поскольку его энергия покоя равна нулю. Нейтрино является излучением, пока его кинетическая энергия не падает ниже энергии покоя, то есть порядка 0,1 эВ, что в 5 млн. раз меньше, чем масса электрона (см. главу 13).

Если потенциальная энергия частицы намного больше ее кинетической энергии, она называется материей, хотя фотоны и другие объекты, называемые излучением, тоже полностью материальны, так что это различие немного сбивает с толку. Скорость этих частиц намного меньше скорости света c.

Как только температура Вселенной упала примерно до 100 МэВ, что произошло приблизительно на 10-5 с ее жизни, кинетическая энергия таких частиц, как протоны и ядра, стала намного ниже их энергии покоя и с этого момента поддавалась адекватному описанию в рамках нерелятивистской кинематики Ньютона.

В течение тысячелетий излучение в форме фотонов продолжало доминировать во Вселенной. Как уже упоминалось, эта стадия называется эпохой доминирования излучения. Однако плотность энергии излучения (вся кинетическая энергия) снижается по формуле 1/a4, где a — масштабный фактор Вселенной, в то время как энергетическая плотность материи (вся энергия покоя) снижается всего лишь со скоростью 1/a3. Итак, примерно через 70 тыс. лет после Большого взрыва энергетическая плотность материи сравнялась с энергетической плотностью излучения и перегнала ее и Вселенная вступила в эпоху доминирования материи.

Вплоть до этого момента Вселенная была непрозрачна, поскольку фотоны окружало множество заряженных электронов и ядер, с которыми они взаимодействовали. Наблюдатель, находящийся в такой Вселенной (очевидно, не человек), не смог бы ничего увидеть ни в одном световом диапазоне, поскольку фотоны не уходили далеко, двигаясь как бы в плотном тумане. Затем, когда температура опустилась до нескольких тысяч градусов и кинетическая энергия упала до нескольких десятков электрон-вольт, электроны и ядра начали объединяться, формируя атомы.

Этот процесс называется рекомбинацией, что звучит глупо, поскольку ядра и электроны никогда до того не были объединены в атомы. Но именно так это называется с точки зрения химии, которая обычно ставит атомы на первое место. В любом случае все частицы с противоположными зарядами объединились в нейтральные атомы (не забывайте, их было как раз поровну) и фотонам больше не с чем было взаимодействовать. Этот важный момент в истории, который произошел спустя 380 000 лет после Большого взрыва, как мы уже знаем, называется моментом последнего рассеяния. Вселенная стала прозрачной, и фотоны образовали тепловое облако, которое за следующие 13,8 млрд. лет остыло до 3 К и сформировало космический микроволновой фон (реликтовое излучение).