Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках - Мухин Лев Михайлович. Страница 10
Здесь возникает естественный вопрос. Ведь во время адронной эры во Вселенной должны присутствовать как частицы, так и античастицы. А речь шла сейчас лишь о протонах. Где же антипротоны? Почему наша Вселенная несимметрична в зарядовом отношении? Почему в ней есть вещество и почти нет антивещества?
Вопрос этот очень сложный и, нужно сказать честно, не имеющий на сегодняшний день окончательного решения. Более того, некоторые ученые, например лауреат Нобелевской премии по физике X. Альвен, считают, что антивещество представлено во Вселенной на паритетных началах с обычным веществом. Большинство ученых находит, что X. Альвен не прав. Но в науке голосование не принято, и на поставленные вопросы надо пытаться давать исчерпывающий ответ.
Итак, если изначально число частиц и античастиц было одинаковым, то в принципе все они за какое-то время должны были бы в результате аннигиляции превратиться в фотоны, в свет, в нейтрино и антинейтрино. Но этого нет, и, по крайней мере, для нашей Галактики твердо установлено отсутствие звезд и планет из антивещества.
С другими участками Вселенной, которые можно наблюдать сегодня, дело посложнее. Ведь, наблюдая другие галактики, астрономы имеют дело лишь с квантами электромагнитного излучения, и поэтому, если бы какая-либо удаленная галактика состояла из антивещества, мы не могли бы узнать об этом даже в принципе, поскольку антивещество излучает фотоны так же, как и обычная материя. Это, кстати говоря, один из сильных аргументов Альвена и его немногочисленных сторонников.
Тем не менее гипотеза зарядовой асимметрии Вселенной имеет веские экспериментальные подтверждения. Дело в том, что обычное вещество во Вселенной присутствует заведомо. Если бы какие-то галактики состояли из антивещества, то в космосе должны были интенсивно проходить процессы аннигиляции электронов и позитронов, а также протонов и антипротонов. В результате в спектрах гамма-излучения этих галактик должен был бы наблюдаться избыток квантов с энергией ~ 0,5 МЭВ. Но подобный факт не удалось отметить в наблюдениях.
Вещество Вселенной все-таки состоит, по всей видимости, из протонов. Почему? Здесь мы должны вернуться снова в область высоких температур и объединения взаимодействий, когда могли идти экзотические реакции рождения кварков и антикварков.
Так вот, работами последних лет достаточно убедительно показано, что в этих реакциях кварков должно рождаться чуть больше, чем антикварков. Насколько? Ответ таков: на три миллиарда антикварков должно родиться 3 миллиарда и еще три кварка. Тогда 6 миллиардов кварков и антикварков проаннигилируют, а три оставшихся кварка «упадут» со временем в адронный «мешок» и образуют протон или нейтрон. Важно отметить, что в результате всех этих процессов во Вселенной на один протон приходится примерно миллиард фотонов и миллиард нейтрино.
Таким образом, вопрос о том, почему наша Вселенная состоит из вещества, а антивещество отсутствует, находит решение с использованием гранд-моделей.
Мы остановились на моменте времени в развитии Вселенной, когда установилось определенное отношение между нейтронами и протонами. Следующий важный процесс в расширяющейся горячей Вселенной — начало синтеза элементов.
До сих пор Вселенная представляла собой горячий котел, заполненный лишь частицами. С понижением температуры появляются условия для образования простейших атомных ядер. Прошло чуть больше ста секунд, температура упала до миллиарда градусов. Почему эта температура критична для нас? Собственно, не для нас, конечно, а для физики ранней Вселенной. Да просто дело в том, что энергия фотонов и лептонов уже недостаточна при этой температуре, чтобы развалить при ударе ядро атома.
Заметим, что субстрата для образования атомов водорода в ранней Вселенной более чем достаточно. Это протоны и электроны. А вот при миллиарде градусов начинается уже синтез ядер атома гелия. Этот синтез проходит в несколько этапов. Сначала протоны захватывают нейтроны и образуются ядра дейтерия: р + n → D + γ. Два ядра дейтерия, взаимодействуя между собой, могут образовать изотоп гелия гелий-3 и изотоп водорода — тритий:
D + D → 3H + p
D + D → 3He + n → 3H + p.
Далее тритий, взаимодействуя с дейтерием, дает окончательно гелий-4:
3H + D → 4He + n.
В этих условиях, казалось бы, самое время «свариться» и другим элементам, более тяжелым, чем водород и гелий. К примеру, почему бы путем столкновений между теми же ядрами гелия или ядер гелия с нейтронами и протонами не получить новые элементы?
Но природа поставила здесь барьер, и барьер этот непреодолим: не существует стабильных изотопов с массой 5 или 8. Поэтому в гигантской водородной бомбе, которой была наша Вселенная миллиарды лет назад, синтезировались лишь легкие элементы — водород, гелий да немного лития. Разумеется, сегодня мы видим вокруг нас не только гелий и водород, но и массу других элементов. Но для образования этих элементов нужны другие условия, нежели те, что были в ранней Вселенной. В частности, нужна большая температура и плотность в течение более длительного времени. Когда в дальнейшем мы будем говорить о звездах, мы увидим, как синтезируются в природе более тяжелые элементы.
Процесс синтеза ядер легких элементов продолжался около трех минут после начала Большого Взрыва. С падением температуры синтез гелия прекратился, и теперь уже «заморозились», то есть остались неизменными, относительные концентрации гелия и водорода: ядра водорода составляли 70 процентов вещества Вселенной, ядра атомов гелия — 30.
Необходимо заметить, что отношение концентраций ядер гелия и водорода друг к другу сильно зависит от темпа расширения и, соответственно, от средней плотности вещества во Вселенной. Поэтому в какой-то мере это отношение может использоваться для проверки правильности той или иной космологической модели. Оценки содержания гелия в горячих звездах во внешней атмосфере Солнца, в солнечном ветре и т. д. дает достаточное основание для подтверждения правильности «стандартной» теории (дающей цифру в 30 процентов для гелия).
Кроме термоядерного синтеза легких элементов, в первые секунды происходил еще один очень важный и бурный процесс. Мы уже говорили о том, что в состав горячего вещества Вселенной входили лептоны — легкие частицы, и сейчас нам надо посмотреть, что происходило с электронами, позитронами и нейтрино по мере остывания гигантского первичного котла. При температурах выше примерно пяти миллиардов градусов электроны и позитроны присутствуют в раскаленной плазме в одинаковых концентрациях. Конечно, реакции аннигиляции, происходящие при столкновении электрона и позитрона, идут при любой температуре: e+ + e– → 2γ; e+ + e– → 2ν + ν–. Но при высокой температуре эти реакции компенсируются процессом рождения пар: γ + γ → e– + e+ или ν + ν– → e+ + e–.
С падением температуры реакции аннигиляции становятся «главными», так как энергии частиц для рождения пар уже не хватает.
Нейтрино исключительно слабо взаимодействуют с веществом, для них прозрачен даже наш земной шар. Поэтому примерно через 0,3 секунды после Большого Взрыва нейтрино начинают «игнорировать» все вещество Вселенной (включая, конечно, и электроны с позитронами). Их число уже не меняется. Говорят, что произошло отделение нейтрино от вещества. Этот процесс происходит при температуре больше десяти миллиардов градусов.
С понижением температуры продолжает играть роль реакция рождения электронов и позитронов из энергичных фотонов, но при пяти миллиардах градусов идет уже только реакция аннигиляции. Это приводит к тому, что излучение становится главной, основной частью Вселенной.
Реакции аннигиляции несколько подогревают наш мир, но конец взаимодействия лептонов, конец лептонной эры уже близок. Ее сменяет эра радиации, или, как ее еще называют, эра фотонной плазмы. Напомним, что число фотонов в миллиард раз превышает к этому моменту число выживших протонов.