Реликтовое излучение
Реликтовое излучение
Реликтовое излучение не появилось в каких-то источниках, подобно свету звезд либо радиоволнам, родившимся в радиогалактиках. Реликтовое излучение было с самого начала расширения Вселенной. Оно было в том жарком веществе Вселенной, которое расширялось от сингулярности.
Если подсчитать общую плотность энергии, которая сейчас содержится в реликтовом излучении, то она окажется в 30 раз больше, чем плотность энергии в излучении от звезд, радиогалактик и других источников, взятых вместе. Можно подсчитать число фотонов реликтового излучения, находящихся в каждом кубическом сантиметре Вселенной. Оказывается, что концентрация этих фотонов 500 штук в см3.
Напомним, что средняя плотность обыденного вещества во Вселенной около 10-30 г/см3. Это означает, что, если б мы “размазали” все вещество умеренно в пространстве, то в одном кубическом метре был бы всего один атом водорода — более всераспространенного элемента Вселенной. В то же время в кубическом метре содержится около млрд фотонов реликтового излучения.
Таким макаром, кванты электрических волн, эти типичные частицы, всераспространены в природе еще больше, чем обыденное вещество. Реликтовых фотонов в млрд раз больше, чем томных частиц протонов. Если мы учтем, кроме водорода, и другие хим элементы, в состав ядер которых входят не только лишь протоны, да и нейтроны, то это фактически ничего не изменит в нашей оценке, потому что водород — главный элемент в природе. Итак, 109 реликтовых фотонов на одну томную частичку.
Мы знаем, что сейчас в каждом кубическом сантиметре межгалактического места около 500 фотонов, парящих с предельной скоростью во всех направлениях. Каждый фотон имеет свою энергию, подобающую его частоте. При температуре 3° Кельвина большая часть фотонов имеет энергию 10-15 эрг каждый. Означает, в каждом кубическом сантиметре имеется энергия реликтового излучения, равная произведению 10-15 эрг на 500, другими словами 5 *10-13 эрг. Согласно закону Эйнштейна каждой энергии соответствует масса. Энергии 5*10-13 эрг соответствует масса 5 * 10-34 грамма. Таким макаром, в каждом кубическом сантиметре в наши деньки есть 5 • 10-34 грамма реликтового излучения.
Напомним, что обыденного вещества на каждый кубический сантиметр приходится в среднем 10-30 грамма. Означает, по массе вещества в две тыщи раз больше, чем реликтового излучения. Потому, хотя по числу штук фотонов еще больше, по общей массе обыденное вещество очень преобладает над реликтовым излучением. Масса реликтового излучения пренебрежимо мала.
Проследим, что было и с теми, и с другими частичками в прошедшем.
В обозримом прошедшем ни те ни другие частицы не рождались и не исчезали. Тут нужны некие уточнения. 1-ое из их относится к реликтовым фотонам. Нынешняя Вселенная фактически прозрачна для реликтового излучения. Ясно, что реликтовые фотоны в современной Вселенной в подавляющем большинстве не ведут взаимодействие с веществом и не могут из-за этого изменяться в числе. В дальнем прошедшем, когда плотность вещества была велика, была велика и температура. Вещество Вселенной было ионизовано и являлось практически однородной плазмой. Оно тогда было непрозрачным для излучения. Реликтовые фотоны интенсивно вели взаимодействие с веществом. Но сколько фотонов в некий малый просвет времени поглощалось в толще вещества, столько же этим жарким веществом и рождалось! Было, как молвят, равновесие меж излучением и веществом. Потому и в этот период соотношение — млрд реликтовых фотонов на один протон — оставалось справедливым.
2-ое уточнение относится к протонам.
В собственном дальнем прошедшем, в самые 1-ые мгновения после начала расширения, во Вселенной было так жарко, что при температуре больше 10 тыщ млрд градусов столкновение частиц рождало протоны и их античастицы — антипротоны, нейтроны и антинейтроны. Ко всему этому мы еще вернемся. Пока мы не обращаемся к экзотичным первым мгновениям, можно считать, что и реликтовые фотоны и томные частички являются не рождающимися и не исчезающими.
Помня это, отправимся в прошедшее. В прошедшем плотность числа и тех и других частиц была, естественно, больше, чем на данный момент, и росли эти плостности при углублении в прошедшее в однообразное количество раз. Означает, остается постоянным их отношение: один протон на млрд фотонов.
Но меж фотонами и томными частичками есть большая разница. Масса томных частиц всегда неизменна. А энергия фотонов с расширением Вселенной миниатюризируется из-за красноватого смещения. Раз изменяется энергия, означает, изменяется и масса каждого фотона (эта масса полностью связана с энергией его движения). Ранее каждый фотон был энергичнее, а означает, и тяжелее.
В некий момент в прошедшем суммарная масса млрд потяжелевших фотонов, приходящихся на один протон, сравнивается с массой этого протона.
В этот момент в прошедшем в каждом кубическом сантиметре масса обыденного вещества и масса реликтового излучения сравниваются. Вышло это, когда плотность вещества (и равная ей тогда плотность излучения) была 10-20 г/см3, температура излучения и вещества тогда была около 6 тыщ градусов. Реликтовое излучение было не радиоволнами, а видимым светом. Естественно, в эту эру не было отдельных небесных тел, они появились значительно позднее. А еще ранее?
Еще ранее масса реликтового излучения превосходила массу обыденного вещества!
Вот такое было совсем необыкновенное состояние. Его именуют эпохой фотонной плазмы.
То, о чем мы будем гласить в следующих строчках, покажется кадрами из умопомрачительного кинофильма. Мы подойдем к моменту начала расширения на жалкие толики секунды — меньше одной стотысячной толики — и встретимся с совсем необыкновенными процессами.
На ранешних стадиях расширения основную долю массы физической материи во Вселенной составляет свет и, анализируя эту стадию, мы можем на время запамятовать о жалкой толики примеси к квантам света частиц обыденного вещества, того вещества, которое играет главную роль в наше время, из которого состоят звезды, планетки и мы сами.
Продолжим путешествие в прошедшее к сингулярности. К примеру, через секунду после начала расширения температура была 10 млрд градусов. При наименьшем времени температура еще более. При таковой большой температуре происходят процессы рождения и аннигиляции простых частиц. К примеру, процессы рождения пар электронов и позитронов при столкновении энергичных фотонов и аннигиляции пар электронов и позитронов с перевоплощением в кванты света — фотоны.
Для рождения пары электронов и позитронов нужно затратить энергию, равную как минимум сумме масс этих частиц, умноженную на квадрат скорости света (формула Е = МС2). Как следует, такие процессы могут идти только при температуре выше 10 млрд градусов, когда много квантов света обладает схожими энергиями. Столкновения электронов и позитронов могут вести к рождению нейтрино и антинейтрино, вероятна также и оборотная реакция — столкновение нейтрино и антинейтрино рождает пару электрон — позитрон. Когда температура еще выше, может быть рождение более томных частиц: протонов и антипротонов, нейтронов и антинейтронов, мезонов и других.
При температурах выше 10 тыщ млрд градусов было приблизительно в равных количествах огромное количество видов частиц (и в равных количествах их античастиц), в том числе и с большой массой. По мере расширения температура падала, и энергии частиц не хватало для рождения пар томных частиц и античастиц, к примеру, таких, как протон и антипротон. Эти частички “вымирали”.
При предстоящем уменьшении температуры “вымирают” различные виды мезонов.
Очень принципиальное событие происходит при времени около 0,3 секунды после начала расширения. В этот момент находятся кванты света, электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино (для простоты мы говорим только об одном сорте нейтрино — об электрических нейтрино).
При высочайшей температуре нейтрино и антинейтрино преобразуются в электроны, позитроны и назад.
Но нейтрино — частички, очень слабо взаимодействующие с другими объектами, для их даже плотное вещество прозрачно. И вот при 0,3 секунды после начала расширения все вещество Вселенной, включая и электроны и позитроны, становится прозрачным для нейтрино, они перестают вести взаимодействие с остальным веществом. В предстоящем их число не изменяется, и они сохраняются прямо до наших дней, только их энергия должна свалиться из-за красноватого смещения при расширении точно так же, как температура квантов электрического излучения.
Таким макаром, в нашу эру во Вселенной, кроме реликтового электрического излучения, должны существовать реликтовые нейтрино и антинейтрино. Энергия этих частиц должна приравниваться приблизительно энергии квантов нынешнего реликтового электрического излучения, и концентрация их также приблизительно совпадает с концентрацией реликтовых квантов.
Экспериментальное обнаружение реликтовых нейтрино представляло бы большой энтузиазм. Ведь для нейтрино Вселенная прозрачна, начиная с толикой секунды после начала расширения. Найдя реликтовое нейтрино, мы могли бы конкретно заглянуть в дальнее прошедшее Вселенной, информацию о которой несут эти частички.
К огорчению, обнаружение нейтрино настолько низких энергий, какими должны быть реликтовые нейтрино, пока фактически неосуществимая задачка.
В связи с этим напомним, что на наших очах рождается нейтринная астрономия. Мы стоим на пороге периодического исследования потоков нейтрино, рождающихся при ядерных реакциях поблизости центра Солнца. Эти нейтрино позволяют конкретно заглянуть в центр Солнца, потому что вся масса Солнца для их полностью прозрачна.» Нейтринное “просвечивание” Солнца позволит уточнить наши познания о его внутреннем строении. Точно так же в дальнейшем астрофизикам предстоит выполнить нейтринное “просвечивание” нашей Вселенной.
Итак, мы поглядели, что было во Вселенной с веществом и излучением в первую секунду. Как ни фантастична кажется возможность рассчитывать процессы в первую секунду с начала расширения, но современная физика позволяет это делать с полной надежностью.
Новиков И.Д.