Після великого вибуху
"В одній миті бачити вічність ..."
Про те, як влаштований Всесвіт, ми можемо судити завдяки створеним людиною приладів, що дозволяє заглянути на неймовірно далекі відстані, які важко уявити. Якщо порівняти їх з прийнятою в астрономії одиницею довжини - світловим роком (1 світловий рік = 9.5. 10 12 км або
0.3 пса (1 парсек
3.1. 10 13 км)), то відстані до видимих приладами джерел можна оцінити в 5000 мільйонів парсек або 15 мільярдів світлових років! Видимий сьогодні Всесвіт - величезні об'єднання зірок - галактики, дрібними вкрапленнями заповнюють, на перший погляд, порожній простір. Але, насправді, все простір Всесвіту заповнене тим, що ми називаємо речовиною і випромінюванням.
Спочатку про речовину. Речовина складається з атомних ядер - нуклідів. В ядрі знаходяться протони і нейтрони. Їх називають нуклонами. Число протонів визначає заряд ядра (Z), а загальне число протонів і нейтронів (N) - масове число, або масу ядра (А), тобто Z + N = A Фактично ці два параметри ядра - Z і A - визначають характеристики нуклида і самого речовини.
Так, наприклад, водень, найбільш поширений і легкий елемент у Всесвіті, має Z = 1 (його позначення 1 Н), а серед найбільш важких і рідкісних - уран має Z = 92 (92 U). Одним із завдань астрофізики якраз і є з'ясування походження і поширеності окремих нуклідів у Всесвіті, а їх приблизно 300.
Історія Всесвіту налічує більш ніж 10 мільярдів років. Як вона виникла?
1.1. убегающие галактики
"Космос проходить нескінченні цикли Великих вибухів і розширень.
Можливо, Великий вибух - не початок часу,
а лише початок останнього циклу з нескінченної серії нагрівань,
розширення, застоїв, спустошення і знову розширення ".
"Історія космології - це історія наших помилок ...
Ми знаходимося на маленькій планеті у Всесвіті,
не можемо нікуди вийти і поставити експеримент.
Все, що ми можемо зробити, це взяти трохи світла,
який досяг нас і зрозуміти, що з себе представляє Всесвіт ".
Мал. 1.1. Діаграма Великого вибуху - створення світу з основними моментами і характеристиками Всесвіту. До 10 -43 сек панувала епоха Великого об'єднання всіх трьох взаємодій, що закінчилася на 10 -6 сек злиттям кварків в адрони. На 10 секунді настала ера домінування випромінювання над речовиною (радіаційна ера). Лише через 40000 років речовина почало переважати над випромінюванням, що призвело до утворення атомів (через 4000000 років). Ера речовини триває до наших днів, через 15 мільярдів років після Почала.
Відповідь запропонував наш співвітчизник - видатний фізик Г. Гамов в 40-і роки. Історія нашого світу почалася з Великого вибуху (рис.1.1). Саме так думає більшість астрофізиків і cьогодні.
Великий вибух - це стрімке падіння спочатку величезної щільності, температури і тиску речовини, сконцентрованого в дуже малому обсязі Всесвіту. У початковий момент Всесвіт мав гігантську щільність і температуру. На першій секунді свого існування світ мав щільність
10 5 г / см 3 і температуру 10 10 К. Сучасна температура найближчої до нас зірки - Сонця в тисячу разів менше.
Протягом короткого проміжку часу після Великого вибуху - всього 10 -36 сек - крихітна Всесвіт була заповнена фундаментальними частинками. Ці частинки, на відміну від нуклідів, протонів і нейтронів - неподільні. З них і складаються, власне, протони і нейтрони - основа ядерної матерії. Це - фундаментальні ферміони, які взаємодіють один з одним за допомогою єдиного, на той період розвитку Всесвіту, фундаментального взаємодії. Як відбувалося така взаємодія? Через частки. Вони називаються бозонами. Їх чотири: фотон (гамма-квант), глюон і два бозона - W і Z. А самі фундаментальні частинки, тобто ферміони - це шість видів кварків і шість видів лептонів.
Мал. 1.2. Частинки (протон і електрон) і їх антиподи - Антипротон і позитрон. Якщо електрон і позитрон відрізняються один від одного тільки електричним зарядом, то протон і антипротон - різної внутрішньою структурою - кварками і антикварки. Спін (фізична величина, що описує обертальний рух) у цих частинок і античастинок - однакові
Саме ця група частинок з 12 фермионов, що взаємодіють один з одним за допомогою 4-х бозонів, по суті і є зародок Всесвіту. Але це ще неповна картина. Серед кварків і лептонів були їхні антиподи - античастинки, що відрізнялися від звичайних частинок знаком деяких характеристик взаємодії. У найпростішому випадку - це електричний заряд (див. Рис. 1.2). Наприклад, один з лептонів - електрон (е -) може бути як негативно зарядженим, так і позитивно (в цьому випадку його називають позитроном (е +)). Античастинки існують майже у всіх частинок, за винятком фотона () і деяких інших. Для них античастинками є вони самі.
Надвисокі початкові температури Всесвіту приводили до зіткнень частинок і їх взаємного перетворення. Так, з пари фотонів могли утворитися електрон і позитрон, а зіткнення останніх (процес взаємодії частинки і античастинки називається анігіляцією) привести до народження знову пари фотонів:
Було можливим і поява нових частинок - нейтрино () і антинейтрино ():
А взаємодія нейтрино зі своєю античастинкою приводило знову до появи електрона і позитрона.
Взаємні перетворення частинок в умовах надвисоких температур нагадували "киплячий суп", в якому число частинок і античастинок було рівним. Це означає, що поряд з Всесвіту існувала і Антівселенная. Зараз, через багато мільярдів років після цього моменту, робляться спроби знайти її або те, що від неї залишилося. Але про це - в наступних розділах книги.
А поки повернемося до розширення Всесвіту перших миттєвостей її існування.
Сучасна фізика вважає, що частинки - ферміони і бозони, що з'явилися відразу після Великого вибуху, неподільні. "Вважається" - означає, що немає поки ніяких відомостей про їх внутрішню будову. Ферміони і бозони були безмасовими десь аж до 10 -10 сек розвитку Всесвіту і становили, так званий "киплячий суп", крихітному Всесвіті. Вони взаємодіяли один з одним за єдиним законом Великого об'єднання.
На 10 -36 сек епоха Великого об'єднання рухнула. Характер взаємодії частинок почав змінюватися. Злиття частинок і утворення більш важких було неможливим, поки Всесвіт мала високу температуру.
Охолодження Всесвіту тривало протягом 1 мікросекунди. За цей час частки, здатні наповнити крихітну, розміром не більше 10 -14 см, Всесвіт, набувають масу, їх енергія збільшується, і з'являються нові частинки - "справжні" кварки - з масою - цеглинки тієї матерії, з якої і складається сучасний Всесвіт. Стало можливим злиття кварків в більш масивні частинки - адрони і антіадрони.
Але Всесвіт продовжувала остигати, і це призвело до зменшення числа адронів в порівнянні з числом лептонів. Серед лептонів є нейтрино. У цей період життя Всесвіту (на цей момент їй виповнилося приблизно 10 сек) нейтрино, практично не мають масу, опинилися на волі: їх розширення відбувалося незалежно від всіх інших частинок. Це - реліктові нейтрино. Очікується, що вони збереглися досі (більш докладно про них буде розказано в главі 11).
Тим часом, анігіляція частинок тривала, що викликало збільшення числа фотонів. Всесвіт стала складатися практично з одного випромінювання - фотонів і нейтрино. Це була радіаційна ера в її розвитку. Подальше зменшення температури за рахунок розширення Всесвіту і зменшення енергії випромінювання привело до того, що через десятки тисяч років після Великого вибуху речовина починало переважати над вивченням, і практично перестало взаємодіяти з випромінюванням. А через сотні тисяч років після Великого вибуху Всесвіт начебто "забула" про своє початковому стані.
Але нам залишилися "свідки" тієї епохи - це реліктові нейтрино і реліктові фотони. Якщо другі вже "спіймані" (про них піде мова нижче), то задача експериментального виявлення реліктових нейтрино - надзвичайно складна, і її не вдається поки вирішити.
1.2. Створено речовини
Мал. 1.7. Структура Галактики - Чумацького Шляху з її характерними розмірами.
Наша Галактика - Чумацький Шлях - належить до так званим галактики спірального типу (S - Галактики), що представляють собою обертовий диск з водневого газу, пилу і зірок з яскраво вираженими спіральними рукавами (рис. 1.6). Це - складний астрономічний об'єкт, що складається з ядра, - потовщення в центральній частині - балджа (від англійського слова "buldge"), гало і власне самого диска (рис. 1.7). У щільному ядрі в центрі диска знаходяться, в основному, старі зірки і в ньому немає газу і пилу. У серці нашої Галактики знаходиться чорна діра (Про чорні діри прекрасно розказано в книзі А.М. Черепащук "Чорні діри").
Нещодавно орбітальна рентгенівська обсерваторія Chandrа зафіксувала потужну рентгенівську спалах в центрі Галактики, що дозволило визначити розмір чорної діри - не більше відстані від Землі до Сонця.
Диск Галактики заповнений газом, пилом і, в основному, молодими зірками. Діаметр диска має розмір близько 30000 парсек (Пк), балджа - 8000 Пк. У спіральних рукавах диска зосереджені майже всі зірки і - велика частина газово-пилової матерії.
Диск оточений сферичним гало. Його розмір на порядок перевищує поперечний розмір диска. У гало перебувають рідкісні зірки і скупчення зірок - кластери, що налічують багато сотень тисяч зірок. Крім цього, в Гало є темна матерія ( "dark matter"), яка була ідентифікована по гравітаційними ефектами. Темна матерія збільшує масу Галактики, по крайней мере, в кілька разів.
Сонце - найближча до нас зірка - знаходиться в спіралі Оріона на відстані
25000 Пк від центру нашої галактики. Сонце - відносно молода зірка - йому 5 мільярдів років. Чумацький шлях, по крайней мере, вдвічі старше, ніж Сонце: вік зоряних кластерів може налічувати 10 мільярдів років.
Загальна кількість зірок у диску Галактиці - 10 11 (сто мільярдів). Крім зірок Галактика включає і міжзоряне середовище. Основним компонентом міжзоряного середовища є міжзоряний газ, що складається в основному (
90%) з водню і міжзоряного пилу (
1%). У складі міжзоряного середовища магнітні поля, електромагнітні випромінювання. Галактика обертається диференційно: на периферії швидкість її обертання менше, ніж в центральних областях. Період обертання нашої Сонячної системи навколо центру Галактики складає приблизно 200 мільйонів років. Запам'ятаємо цю цифру. Ми ще до неї повернемося.
Середня щільність міжзоряної речовини в диску оцінюється як 10 -24 г / см 3 (грубо - 1 атом водню на см 3). Існують великі відхилення від цієї величини: це - щільні хмари, протяжністю до десятків парсек з густиною від 100 до 1000 атомів / см 3.
Речовина, що знаходиться в Галактиці в атомарному стані під дією ультрафіолетового випромінювання зірок іонізується (нейтральні атоми "втрачають" свої електронні оболонки). Так, наприклад, до 90% водню складають його іони - протони.
Маса всього Всесвіту, а це - оптично яскраві зірки, міжзоряний пил і газ, молекулярні хмари, планети, зосереджена в протонах і нейтронах (85% припадає на протони, а 15% на нейтрони). Нейтрони, будучи нестабільної часткою, існують тільки всередині ядер. Все це становить так звану баріонну матерію.
Мал. 1.8. Структура матерії у Всесвіті. Внесок баріонів матерії - не більше 5%. Решта припадає на так звану небаріонної "темну матерію" і "темну енергію", природа яких - невідома.
Звернемося тепер до проблеми про кількісні співвідношеннях між різними формами матерії в сучасному Всесвіті. На рис. 1.8 дана відповідь на це питання. Відповідь відповідно до рівня наших знань на сьогодні. З діаграми, наведеної на рис. 1.8, видно, що лише кілька відсотків (близько 4%) складу Всесвіту ставиться до того, з чого, як ми вважаємо, утворений наш світ. Це - баріонів матерія. Все інше, а це практично 96% - темна матерія і темна енергія - поки малозрозумілі для нас матеріальні субстанції Всесвіту. Ми знаємо, що вони виразно існують. Але ми не знаємо, що це таке. Ми тільки будуємо гіпотези і намагаємося поставити експерименти, в надії довести їх справедливість. Але факт залишається - у нас поки немає аргументів на користь остаточного вибору гіпотези, що пояснює склад темної речовини і темної енергії у Всесвіті.
Темна енергія, відповідно до сучасних поглядів, - це якраз та сила, яка змушує Всесвіт розширюватися. Якщо звична нам гравітація змушує тіла притягатися один до одного, то темна енергія - швидше антигравітація, що сприяє розльоту тіл у Всесвіті. Мабуть, відразу після Великого вибуху розширення Всесвіту відбувалося з уповільненням, але після цього "темна енергія" подолала гравітацію і знову почалося прискорення - розширення Всесвіту. Це - не гіпотеза, a експериментальний факт, виявлений з випромінювання червоного зсуву - зменшення яскравості далеких наднових зірок: вони яскравіше, ніж їм слід було б бути з картини уповільнення розширення Всесвіту. Ефект "червоного зсуву" - реєстроване спостерігачем збільшення довжини хвилі спектру спостережуваного джерела (саме тому зірки здаються яскравіше) - одне з чудових експериментальних астрономічних фактів. Космологічне "червоне зміщення" спостережуваних галактик було передбачене А. Ейнштейном і є донині одним з переконливих доказів розширення Всесвіту.
Занурюючись в епоху ранньої космології, можна згадати, що саме великий А. Ейнштейн, намагаючись зберегти статичність Всесвіту, ввів, що стала історичною, космологічні константу - врівноважуючу сили тяжіння небесних тіл. Але слідом за відкриттям "червоного зсуву" він викреслив константу зі своїх рівнянь. Мабуть, А. Ейнштейн був неправий, відмовившись від неї: Адже - це є та темна енергія, яка інтригує сучасних астрофізиків.
Не ясно, пощастило чи ні людству, але воно живе в період розвитку Всесвіту, коли темна енергія переважає, сприяючи розширенню. Але цей процес, ймовірно, не вічний і через часовий відрізок, який можна порівняти з віком Всесвіту (10-20 мільярдів років) історія може повернути назад - наш світ почне стискатися. Буде чи ні момент Великого схлопування - альтернативи Великого вибуху, безумовно, велике питання сучасної космології.
Вченим вдалося довести існування Всесвіту - це червоне зміщення оптичного випромінювання Галактики і реліктове електромагнітне випромінювання - реліктові фотони, про які піде мова нижче. Можливо, вченим вдасться в майбутньому встановити і існування "провісників", що насувається стиснення Всесвіту.
Інший експериментальний факт - вивчення відхилення світла від далеких галактик в гравітаційних полях Всесвіту привів астрофізиків до висновку про існування прихованої - темної матерії - десь поблизу нас. Саме ця темна матерія змінює траєкторії світлових променів на велику величину, ніж це слід було очікувати в присутності лише видимих прилеглих галактик. Вчені вивчили розподіл на зоряному небі понад 50000 галактик в спробі побудувати просторову модель структури темної матерії. Всі отримані результати невблаганно свідчать на користь її існування, причому Всесвіт - це в основному і є темна матерія. Сучасні оцінки говорять про величину близько 80%. Тут ми знову повторимо - нам невідомо, з яких частинок складається ця темна матерії. Вчені лише припускають, що вона складається з двох частин: поки невідомих якихось екзотичних масивних частинок і фізичного вакууму.
Ми ще повернемося до цієї проблеми, а тим часом звернімося знову до звичної для нас форми речовини, соcтоящую з баріонів (протонів і нейтронів) і електронів - "баріонів матерії". Про неї ми знаємо набагато більше. Більш ніж за столітній період історії розвитку фізики - від відкриття елементарних частинок і будови атома до результатів досліджень в цій області, а також в астрофізиці, наука отримала в своє розпорядження безліч нових результатів про будову звичного нам речовини.