Прохладное либо горячее начало?
Прохладное либо горячее начало?
Есть две принципные способности для критерий, в каких протекало начало расширения вещества Вселенной. Это вещество могло быть или прохладным” или жарким. Мы увидим, что следствия ядерных реакций при всем этом в корне отличаются друг от друга. Исторически первым еще в 30-е годы нашего века подверглась рассмотрению возможность прохладного начала. Тогда ядерная физика находилась еще в зачаточном состоянии, не было теории, которая могла бы накрепко высчитать ядерные реакции. В этих критериях принималось, что вещество Вселенной было поначалу в виде прохладных нейтронов.
Позднее выяснилось, что такое предположение приводит к противоречию с наблюдениями.
Дело заключается в последующем. Нейтрон — нестабильная частичка. В свободном состоянии он распадается за время около 15 минут на протон, электрон и антинейтрино. Потому в процессе расширения Вселенной нейтроны стали бы распадаться, стали бы появляться протоны. Появившийся протон стал бы соединяться с еще оставшимся нейтроном, давая ядро атома дейтерия. Потом дейтерий стал бы соединяться с дейтерием и т.д.. Реакция усложнения атомных ядер стала бы стремительно идти и длиться до того времени, пока не образовалась бы альфа-частица — ядро атома гелия. Более сложные атомные ядра, как демонстрируют расчеты, фактически не появлялись бы. Таким макаром, все вещество перевоплотился бы в гелий. Этот вывод резко противоречит наблюдениям. Понятно, что юные звезды и межзвездный газ состоят в главном из водорода, а не из гелия.
Таким макаром, наблюдения распространенности хим частей в природе отторгают догадку о прохладном начале расширения Вселенной.
В 1948 году появилась работа Г. Гамова, Р. Альфера и Р. Хермана, в какой предлагался “жаркий” вариант исходных стадий расширения Вселенной. Предполагалось, что сначала расширения температура вещества была очень велика.
Основная цель создателей догадки жаркой Вселенной заключалась в том, чтоб, рассматривая ядерные реакции сначала космологического расширения, получить наблюдаемое в текущее время соотношение меж количеством разных хим частей и изотопов.
Почему сначало предполагалось, что все хим элементы должны образоваться сначала расширения Вселенной? Дело в том, что в 40-е годы неверно считали, что время, протекшее с начала расширения, составляет 1—4 млрд лет (заместо 15 млрд лет по современным оценкам). Как мы знаем, это было связано с заниженными оценками расстояний до галактик и потому с завышением неизменной Хаббла. Сравнивая это время (1—4)*109 лет с годами Земли — порядка (4—6)*109 лет, создатели подразумевали, что даже Земля и планетки (не говоря уже о Солнце и звездах) сконцентрировались из первичного вещества, и все хим элементы образовались на ранешней стадии расширения Вселенной, ибо больше они нигде не успевали образоваться.
Сейчас мы знаем, что время расширения Вселенной 15*109 лет. Земля образовалась не из первичного вещества, а из вещества, прошедшего стадию ядерных реакций (нуклеосинтеза) в звездах. Теория нуклеосинтеза в звездах удачно разъясняет главные законы распространенности частей в предположении, что 1-ые звезды образовались из вещества, состоящего приемущественно из консистенции водорода и гелия. Вещество из старенькых звезд первого поколения, обогащенное томными элементами, выбрасывалось в место. Из этого вещества появлялись новые звезды, планетки. Таким макаром, необходимость разъяснения происхождения всех частей (в том числе и томных — железа, свинца и т. д.) на ранешней стадии расширения Вселенной отпала. Но сущность догадки жаркой Вселенной оказалась правильной.
Многие исследователи отмечали, что содержание гелия в звездах и газе нашей Галактики еще больше, чем это можно разъяснить нуклеосинтезом в звездах. (Подробнее об этом говорится дальше.) Как следует, синтез гелия должен происходить на ранешном шаге расширения Вселенной. Но все таки главным веществом Вселенной и на данный момент является водород.
В теории, предложенной Г. Гамовым и его соавторами, оказывается, что расширяющееся вещество Вселенной преобразуется в смесь, большая часть которой составляет водород (70 процентов) и наименьшая — гелий (30 процентов). Из этого вещества позднее и формируются звезды и галактики. Почему же в теории жаркой Вселенной все вещество не преобразуется в гелий, как это было в варианте начала в виде прохладной нейтронной воды?
Все дело конкретно в том, что вещество было жарким. В жарком веществе имеется много энергичных фотонов.
Имеются там также протоны и нейтроны, которые стремятся объединиться в дейтерий. Но фотоны разбивают дейтерий, который появляется при слиянии протона и нейтрона, обрывая в самом начале цепочку реакций, ведомую к синтезу гелия. Когда Вселенная, расширяясь, досаточно охлаждается (до температурыменьше млрд градусов), то некое количество дейтерия уже сохраняется и приводит к синтезу гелия. Мы тщательно разглядим этот процесс дальше.
Теория жаркой Вселенной дает определенные пророчества о содержании гелия в дозвездном веществе. Как уже упоминалось, распространенность гелия должна быть около 30 процентов по массе.
На догадке Гамова исследования различных вариантов начала расширения Вселенной не закончились. Сначала 60-х годов были изготовлены пробы возвратиться к модернизированному варианту прохладной Вселенной, который предвещал перевоплощение всего вещества не в гелий (как в прежнем варианте), а в незапятнанный водород. При всем этом предполагалось, что другие элементы формировались еще позднее уже в звездах.
Сначало теории жаркой и прохладной Вселенной связывались с попытками дать полное разъяснение распространенности хим частей в дозвездном веществе. Пробы узнать, какая теория верна, поначалу направлялись в главном по пути анализа наблюдений распространенности хим частей. Но такие наблюдения и в особенности их анализ очень сложны и зависят от многих догадок. Если б теории можно было инспектировать только по распространенности хим частей во Вселенной, то выявить правду было бы трудно. Ведь не так просто разобраться, сколько гелия и других частей синтезировано в ядерных процессах в звездах, а сколько осталось от процессов в ранешней Вселенной.
К счастью, есть другой метод проверки. Теория жаркой Вселенной дает важное наблюдательное пророчество, которое является прямым следствием “горяче-сти”. Это пророчество существования во Вселенной в нашу эру электрического излучения, оставшегося от той эры, когда вещество в прошедшем было плотным и жарким.
В процессе космологического расширения вещества температура его падает, падает и температура излучения, но все таки и к истинному моменту должно остаться электрическое излучение с температурой (в различных вариантах теории) от толикой градуса до 20—30 градусов по Кельвину (физики молвят — Кельвинов).
Такое излучение, которое должно остаться с старых эпох эволюции Вселенной, если она вправду была жаркой, получило заглавие реликтового. Это заглавие было в первый раз предложено русским астрофизиком И. Шкловским. Электрическое излучение со настолько малой температурой представляет собой радиоволны с длиной волны в сантиметровом и миллиметровом спектрах. Решающим тестом по проверке того, была ли Вселенная жаркой либо прохладной, являются, как следует, поиски такового излучения. Если оно есть, Вселенная была жаркой, если его нет — прохладной.
Новиков И.Д.