Большой взрыв

Страница 2

Г. А. Гамова вдохновляла еще одна, как теперь ясно, неверная предпосылка. В те годы постоянную Хаббла считали в 5 - 10 раз большей, чем находят сейчас. 0тсюда следовало, что возраст Метагалактики должен был составлять лишь несколько миллиардов лет, т.е. столько же, сколько, согласно геологическим данным, «живет» Земля. Поэтому казалось, что все химические элементы «от мала до велика» должны были сформироваться в едином процессе космологического нуклеосинтеза, если, конечно, предполагать, что Вселенная в прошлом была горячей. Г. А. Гамов предсказал и современную температуру реликтового излучения – порядка 5 К, как видим, значение, весьма близкое к действительности.

На самом же деле, из-за того что возраст Метагалактики на порядок больше, чем предлагал Г. А. Гамов, термоядерном котле горячей Вселенной успели бы «сварится» только самые легкие элементы (до гелия, а возможно, до лития включительно). Затем температура упала вследствие расширения настолько, что дальнейший синтез элементов должен был остановиться. Более тяжелые элементы, как теперь предполагают, образовались в термоядерных реакциях в недрах звезд, и при вспышках Сверхновых.

Как часто случалось в истории науки, несмотря, на неверные предпосылки, Г. А. Гамов «угадал» горячее прошлое Вселенной, триумфально подтвержденное открытием реликтового радиофона. Каким же, образом в высокотемпературной плазме формировался изотопный состав догалактического вещества?

Оказывается, одну из главных ролей в этом процессе играли реакции слабого взаимодействия электронных нейтрино и антинейтрино с протонами и нейтронами. Еще на лептонной эре расширения Вселенной при температуре выше 1010 К столкновения нейтрино vе, vе с протонами р и нейтронами n эффективно перемешивали эти частицы в реакциях.

Начиная с температуры 1010 К, характерное время этих реакций близко к возрасту Метагалактики, и они приостанавливаются. Расчеты показывают, что к этому моменту концентрация нейтронов стала меньше концентрации протонов из-за небольшой разности их энергий покоя.

Этот контраст «замораживался» практически до тех пор, пока температура не уменьшилась до 109 К. После этого вся последовательность взаимопревращения нуклонов в ядра 4Не, 3Не, 2Н, 3Н осуществлялась в два этапа. На первом при температурах плазмы порядка 109 К происходило слияние протонов и нейтронов в ядра дейтерия n+p 2Н+Y. Расчеты показывают, что до тех пор, пока практически все протоны и нейтроны не связались в ядра дейтерии, гелия-3 ( 2Н+р 3Не+ Y ) и трития (2Н+n 3Н+ Y ), синтез 4Не происходил крайне неэффективно. После этого в действие вступили столкновения ядер дейтерия между собой и с ядрами 3Н и 3Не, приведшие к появлению ядер гелия-4, причем длительность этапа синтеза 4Не крайне мала.

На рис. 3 для иллюстрации динамики космологического нуклеосинтеза приведена зависимость массовых концентраций легких химических элементов от температуры плазмы. Как видно, уже при температуре 5.107 К сформировался практически весь первичный химический состав вещества: около 23 - 26% нуклонов связалось в ядра 4Не; 74 - 77% по массе составляет водород и лишь 0,01 - 0,0001% -дейтерий, гелий-3 и тритий. Заслуживает внимания то обстоятельство, что распространенность дейтерия во Вселенной весьма чувствительна к современной плотности вещества. При изменении рm(0) от 1,4.10-31 до 7.1030 г/см3 его относительная концентрация (2Н/Н) уменьшается практически на семь порядков. В меньшей мере от величины современной плотности барионов зависит массовое содержание 4Не, однако, и оно возрастает примерно в 2 раза.

Этой особенностью можно воспользоваться для предсказания сегодняшней плотности вещества во Вселенной, если известна наблюдаемая распространенность космических гелия-4 и дейтерия. Однако значительным препятствием на пути реализации этой программы является искажение первичного химического состава вещества на стадии существования галактик и звезд. Например, в Солнечной системе измерения дают примерно 20 - 26%-ную вариацию массовой концентрации 4Не относительно водорода. В солнечном ветре эта величина колеблется еще значительнее - от 15 до 30% .

Спектроскопические измерения линий поглощения и эмиссии гелия в атмосферах, ближайших к Солнцу звезд, свидетельствуют также о наличии вариаций в его массовой концентрации от 10 до 40 %. Присутствие 4Не обнаруживают и в наиболее старых объектах нашей Галактики - шаровых скоплениях, где его распространенность колеблется от 26 до 28%. Все это, естественно, снижает преимущества использования данных о галактическом содержании 4Не для определения величины современной плотности вещества, совместимой с моделью Большого взрыва.

В этом аспекте более информативными оказываются данные, получаемые из сопоставления космологической продукции дейтерия и его современной распространенности в Галактике. В отличие от 4Не этот изотоп лишь выгорает в ходе образования звезд, и, следовательно, сегодня речь может идти лишь об определении нижней границы его плотности массы. Наблюдения линий поглощения атомарного дейтерия в межзвездной среде, а также регистрация излучения молекул HD, DCN показывают, что содержание этого изотопа в Галактике составляет примерно в пределах от 0,001 до 0,00001% от массы водорода. Это соответствует современной плотности вещества рm(0)=1,4.10-31г/см3.

Любопытно, что, помимо объяснения химического состава ранней Метагалактики, теория космологического нуклеосинтеза позволяет получить уникальную информацию о пространственной плотности трудно наблюдаемых частиц, дошедших до эпохи доминирования лептонов от предыдущих этапов космологического расширения. В частности, основываясь на этой теории, можно ограничить число возможных типов нейтрино, которые в последнее время стали объектом пристального внимания космологов.

Еще каких-нибудь 6 - 7 лет назад этот вопрос стоял как бы на втором плане в модели «горячей Вселенной». Считалось, что решающую роль в формировании химического состава догалактического вещества играли электронные нейтрино и антинейтрино и в меньшей степени - мюонные нейтрино Vm, Vm. Эксперимент не давал оснований предполагать, что в природе существуют иные типы слабовзаимодействующих нейтральных лептонов, а космологи предпочитали руководствоваться принципом «бритвы Окаама»: entia non sunt multiplicanda praenter necessitatem(« сущности не должны быть умножаемы сверх необходимости»).

Ситуация в этом вопросе радикально изменилась после открытия в 1975 г. тяжелого заряженного тау-лептона, которому должен был соответствовать новый тип нейтрино - vt. Сейчас уже не вызывает сомнений, что семейство нейтрино пополнилось новым членом, энергия покоя которого не превышает 250 МэВ. Возникла любопытная ситуация -современные ускорители элементарных частиц приблизились лишь к энергиям порядка 105 МэВ и уже появился новый тип нейтрино. Что кроется за этим порогом энергий? Не ожидает ли нас в будущем катастрофическое увеличение числа членов семейства лептонов по мере проникновения в глубь микромира?

Оказывается, на этот вопрос модель «горячей Вселенной» дает вполне определенный ответ. Если бы в природе, помимо vе, vm, vt существовали новые типы нейтрино, энергии покоя которых не превышали бы 30 - 50 эВ, их роль в период космологического нуклеосинтеза свелась бы к увеличению скорости охлаждения плазмы и, следовательно, изменились бы условия образования химических элементов. Впервые подобная роль слабовзаимодействующих частиц в динамике космологического синтеза легких химических элементов была отмечена в 1969 г. советским астрофизиком В. Ф. Шварцманом, и за последнее десятилетие уточнялась лишь количественная сторона вопроса.

Расчеты показывают, что если за верхнюю границу распространенности догалактического гелия-4 принять его массовую концентрацию 25%, то неизбежно следует вывод, что все возможные типы нейтрино в природе уже открыты. С некоторой осторожностью, связанной с недостаточной точностью наблюдательных данных о распространенности космических 4Не и 2Н, можно считать, что, помимо vе, vm, vt существует не более еще двух типов новых нейтрино. Это обстоятельство играет существенную роль при анализе проблемы скрытой массы Вселенной.