РАЗДЕЛ II. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГОРЯЧЕЙ ВСЕЛЕННОЙ

ГЛАВА 5. ВВЕДЕНИЕ

§ 1. Вводные замечания и исторический обзор

В этом разделе рассматриваются физические процессы, протекавшие во Вселенной в прошлом в ходе ее расширения, в предположении, что геометрия и динамика эволюции Вселенной описываются однородной изотропной моделью.

Физические процессы, протекавшие в прошлом, зависят от состава вещества, заполнявшего Вселенную. Эти процессы протекают в условиях определенного закона расширения Вселенной (отчасти процессы сами влияют на закон расширения), подробно изученного в первом разделе, но полностью геометрией и динамикой отнюдь не определяются, а зависят еще от состава вещества.

В следующих главах изложение ведется применительно к тому составу, который со значительной уверенностью следует из современных экспериментальных данных. Важнейшим наблюдательным фактом, служащим для определения состава, является открытие так называемого реликтового электромагнитного излучения (РИ), - смысл названия будет разъяснен ниже. Наличие РИ приводит к картине Вселенной, в которой в среднем на один барион (протон или нейтрон, свободный или связанный в ядре) приходится около фотонов, имеет, по-видимому, равновесный спектр с Может ли это излучение возникнуть в каких-либо астрономических объектах? Несложный анализ, на котором мы остановимся далее в этом параграфе, показывает, что этого быть не могло, что излучение присутствовало во Вселенной всегда, начиная с самых ранних этапов расширения. Отсюда и название — реликтовое. Знания отношения оказывается достаточным для того, чтобы охарактеризовать состав вещества на каждом этапе расширения Вселенной; более детальные соотношения между количеством водорода и гелия, фотонами и нейтрино оказываются

следствиями теории (при простейших дополнительных предположениях).

Дело в том, что наличие РИ свидетельствует о высокой температуре вещества в начале расширения («горячая Вселенная»), а при высокой температуре и плотности в начале расширения быстро происходили различные процессы превращения одних элементарных частиц и ядер в другие. Поэтому количества частиц различных сортов не являются независимыми, свободными переменными, они обусловлены закономерностями быстро происходящих процессов. Лишь одно число — отношение (оно находится из наблюдений) — должно быть задано.

На более специальном языке говорят, что в начальной стадии имеет место термодинамическое равновесие, для задания которого нужно знать удельную энтропию вещества, сохраняющуюся при медленном (равновесном, адиабатическом), по сравнению с протекающими процессами, расширении. Вторая термодинамическая переменная — плотность материи или удельный объем — плавно меняется в ходе расширения с течением времени; соответствующая зависимость от времени может считаться известной (см. раздел I). Теории равновесия при высоких температурах посвящена гл. 6. По мере понижения температуры реакции протекают все медленнее, и наконец достигаются условия, когда скорость протекания какого-либо процесса сравнивается со скоростью расширения, и результат процесса определяется его кинетикой. Наиболее важным процессом такого рода является нуклеосинтез на ранних стадиях расширения Вселенной; в космологических условиях, в дозвездном веществе можно ожидать превращения 25—30% барионов в гелий-4, тогда как 75—70% барионов оказываются в виде протонов.

По-видимому, такой результат не противоречит наблюдениям, что усиливает доверие к горячей модели в целом. Проблемы кинетики и, в частности, нуклеосинтеза обсуждаются в гл. 7. Здесь же, в гл. 5, общая ситуация излагается крайне схематизированно и более однозначно и определенно, чем это имеет место в действительности. В отношении многих немаловажных вопросов (например, существуют ли еще не открытые частицы типа нейтрино) нет ясности, и в детальном изложении приходится рассматривать целый ряд вариантов. Сопоставление полученных результатов с наблюдениями приводит подчас к выводам, интересным для теории элементарных частиц.

В гл. 9 рассматриваются процессы на той относительно поздней стадии расширения, когда «выжили» только фотоны, электроны и ядра, а также слабо взаимодействующие с веществом нейтрино (и гипотетические гравитоны). Исчезли за счет аннигиляции и

(или) распались антинуклоны, мезоны и позитроны, закончились ядерные реакции. На этой стадии рассмотрению подлежит взаимодействие фотонов с электронами, а конкретно — поглощение, испускание и рассеяние фотонов.

Нейтрино и гравитоны на этой стадии не исчезли, они присутствуют, но присутствуют «незримо» и не влияют на фотонные процессы. Существенно, что здесь, в этом разделе, рассматривается изотропное «по Фридману» расширение, без учета пространственной неоднородности, которая предполагается малой в ту эпоху, а к настоящему времени приводит к образованию галактик (см. об этом следующий раздел). Наблюденные свойства РИ согласуются с теми выводами, которые следуют из картины эволюции горячей Вселенной, т. е. подтверждают ее. Но поставим более острый вопрос: в какой мере исследование РИ доказывает теорию горячей Вселенной? И еще точнее: какую часть теории горячей Вселенной можно считать доказанной? Для ответа на эти вопросы весьма важны исследования, изложенные в гл. 7.

Взаимодействие РИ с электронами стерло бы отклонения (если таковые были) в распределении энергии в спектре РИ от равновесного, предсказываемого теорией горячей Вселенной, если эти отклонения имели место достаточно рано — при или т. е. при лет с начала расширения. Более поздние отклонения, связанные с процессами выделения энергии в веществе и меняющие спектр РИ, были бы обнаружены.

Были попытки объяснения РИ выделением энергии в отдельных небесных источниках [Парийский (1968), Бэрбидж (1971), Лайзер (1968)].

Интегральная плотность почти в 100 раз больше, чем интегральная плотность излучения источников (звезды галактик, радиогалактики, квазары), подсчитанная с учетом их вероятной эволюции в прошлом. РИ с большой точностью изотропно.

Если разделить плотность энергии на плотность материи (средняя плотность вещества, входящего в состав галактик, по данным Оорта), то получим Таким образом, горение «20% всего водорода даст достаточно энергии, чтобы наполнить пространство излучением с температурой Однако мы знаем, что горение ядерного топлива в звездах дает спектр, очень далекий от трехградусного равновесного излучения, которое наблюдается, и угловое распределение излучения было бы дискретным, а не равномерным. Если горение имело место в далеком прошлом, то испущенное источниками высокотемпературное излучение может, в принципе, превратиться в низкотемпературное излучение, но из-за космологического расширения энергия уменьшается и требуется выделение энергии в прошлом Оольше разумного предела.

Наблюдаемое сейчас РИ можно пытаться объяснить выделением в прошлом энергии в празвездах только при очень невероятном соединении многих предположений. Так, надо предполагать высокую современную среднюю плотность вещества Надо к тому же сделать предположение о выделении практически всей ядерной энергии всего вещества, излученной в гипотетических «празвездах» за короткий период в прошлом лет), и далее о поглощении, а затем переизлучении света пылью, которая составляет не менее всего вещества по весу. Указанную возможность объяснения РИ можно считать совершенно невероятной [см. Зельдович, Новиков (1967а)].

Решающим экспериментом было бы измерение фона нейтрино, который, согласно горячей модели, должен иметь (см. далее гл. 7, § 1). Однако этот «эксперимент века» лежит пока далеко за рамками возможного.

При выделении ядерной энергии в «празвездах» образующиеся иейтрино имели бы, очевидно, неравновесный спектр, а их «терма-лизация» невозможна, так как вещество для них прозрачно. Их плотность (число штук должна быть порядка плотности нуклонов, а современная энергия — сотые доли Попытки объяснения РИ как совокупности излучения радиоисточников [Парий-ский (1968), Бэрбидж (1971)] противоречат как статистике радиоисточников, так и соответствию спектра РИ планковскому спектру в исследованной длинноволновой области.

Итак, можно сказать, что общая картина горячей Вселенной прямо доказана наблюдениями для периода, начиная от нескольких лет, отсчитанных от сингулярности, до сегодняшнего дня, т. е. для периода лет.

Излагаемая ниже классическая картина является зарядовонесимметричной. Предполагается, что в настоящее время во Вселенной представлены только барионы (вещество), но практически нет антибарионов (антивещества). Предполагается, что далекие галактики и межгалактический газ также состоят из вещества.

В литературе встречается и противоположная точка зрения, согласно которой Вселенная в среднем зарядово-симметрична. Возможны различные варианты предположений о том, насколько удалены друг от друга области с веществом и антивеществом. Так, в одних вариантах теорий есть звезды из антивещества и в нашей Галактике. В других вариантах есть галактики и антигалактики в одном скоплении галактик, наконец, в третьих вариантах вещество и антивещество разделены на еще большее расстояние. Ниже приводятся аргументы, в силу которых зарядово-симметричная модель представляется нам не соответствующей действительности.

Авторам и защитникам симметричной теории [Клейн (1961), Альвен (1971), Омнес (1969, 1971 а — в), новые данные см. Лонгейр (1974)] нельзя отказать в логической последовательности и остроумии. С точки зрения законов физики, изученных в лаборатории, с точки зрения «естественности» и «здравого смысла» нельзя выбрать между симметричной и несимметричной теориями Вселенной.

Аргументы в пользу несимметричной теории существенно опираются на данные астрономических наблюдений (красное смещение, реликтовое излучение).

Защитники тех или иных неортодоксальных концепций хорошо усвоили тезис, согласно которому лучший способ защиты — это нападение. Бэрбидж, Хойл, Альвен подчеркивают «экзотичность», малую вероятность, «удивительность» классической модели с однородной и изотропной структурой и динамикой расширения в начальном сингулярном состоянии, с зарядовой несимметрией.

Этот упрек был бы справедлив, если бы теория горячей Вселенной была абстрактным творением «чистого разума». Но все дело в том, что эта картина в настоящее время (так было не всегда!) является необходимой с наблюдательной точки зрения. Неизбежность странного мира — формулировка писателя Данина, высказанная по другому поводу, но замечательно точно характеризующая космологию.

Вкратце остановимся на истории развития тех идей, которые в настоящее время объединяются в понятие горячей Вселенной.

Доказательство расширения Вселенной было дано примерно в то же время, когда возникла современная ядерная физика [работы Фридмана — 1922—1924 гг., открытие Резерфордом ядерных реакций в 1919 г., работы Хаббла — 1929 г., открытие нейтрона Чадвиком в 1932 г.]. Таким образом, почти одновременно возник вопрос о том, что же собой представляют вблизи сингулярности Вселенная и вещество, ее заполняющее, и возникли физические предпосылки для ответа на этот вопрос. Уже самое общее представление о сингулярности, о бесконечной плотности в начале расширения приводило к идее первичного дозвездного вещества более или менее однородного — в отличие от разнообразия строения и

состава звезд и других небесных тел сегодня. Появились звучные, но туманные формулировки: Вселенная была одним «первичным атомом», или — вся Вселенная была одним ядром или каплей ядерной жидкости [Леметр (1933)].

Дальнейший этап, когда возникла идея горячей Вселенной, является замечательным примером плодотворного развития теории, в возникновении которой существенную роль играла цепь ошибок.

Гамов (1948) поставил перед собой задачу космологического объяснения распространенности различных ядер и изотопов. Постановка этой задачи была связана с ошибочным значением постоянной Хаббла 500 км/сек-Мпс, что соответствовало времени от момента сингулярности меньше чем лет. Но возраст Земли оценивается в Даже допуская ошибки в этих величинах, естественно было предположить, что Земля, так же как и Солнце, сконденсировалась одновременно из первичного дозвездного вещества и их химический состав определялся составом этого вещества. Не только водород и гелий — главные составные части звезд, в частности Солнца, но и все тяжелые ядра, вплоть до железа, свинца, урана, по гипотезе Гамова, получились в процессе реакций при расширении дозвездного первичного вещества.

Таблица распространенности различных элементов и изотопов обнаруживает общую закономерность: в природе преобладают изотопы с избытком нейтронов. Отсюда был сделан вывод о том, что в первичном веществе долго сохранялись свободные нейтроны (захват которых ядрами приводил к возникновению указанных изотопов), для этого нужна высокая температура. Так появилась идея горячей Вселенной.

С сегодняшней точки зрения, можно указать на ряд несоответствий. Постоянная Хаббла уменьшилась в 5—10 раз, время с начала расширения Вселенной оценивается в лет, Солнце есть звезда второго или третьего поколения. Сперва образовались звезды первого поколения, в массивных звездах первого поколения произошел нуклеосинтез тяжелых ядер (тяжелее Не); при взрывах этих звезд тяжелые ядра рассеялись в галактическом газе, из которого конденсировались Солнце и Земля. Верно то, что для синтеза тяжелых ядер нужны и свободные нейтроны. Однако эти нейтроны появляются как на медленных, так и на взрывных этапах эволюции массивных звезд. С другой стороны, в первичном дозвездном веществе, несмотря на наличие свободных нейтронов, синтез тяжелых элементов не происходит. Не удается «перескочить» барьер атомного веса 5: ядро не присоединяет к себе нейтроны.

Тем не менее и Гамов и позднее Альфер и Херман (1953) полагали, что как-то удастся преодолеть массовое число и получить средние и тяжелые элементы периодической системы путем последовательного присоединения нейтронов и бета-распада.

Преобладание в природе элементов с избытком нейтронов рассматривалось как подтверждение теории. Из того факта, что уцелели изотопы с большим сечением захвата медленных нейтронов, был сделан вывод о том, что нуклеосинтез, захват нейтронов, шел при высокой температуре. Так получена оценка температуры излучения около

Для всей логики развития теории существенно было предположение о малом возрасте Вселенной. Современные данные о постоянной Хаббла оставляют вполне достаточно времени для нуклеосинтеза средних и тяжелых элементов в звездах.

Таким образом, вопрос о нуклеосинтезе тяжелых элементов был поставлен незакономерно, и поэтому ответ теории горячей Вселенной на этот вопрос не совпадает с наблюдениями. Но теории имеют свою судьбу, их развитие не описывается прямолинейной схемой «вопрос — ответ». Анализ условий при высокой температуре в начале космологического расширения привел к выводу, что плотность массы лучистой энергии оказывается больше плотности обычной материи (РД-стадия, см. об этом введение к книге и следующую главу).

Эта необычная возможность, следующая из законов лабораторной физики, но не осуществимая в лаборатории, заворожила исследователей. Фотонная плазма, радиационно-доминированное состояние вещества, его свойства, механика, термодинамика — короче, возникла новая область! Разработка этой области и различных следствий из концепции горячей Вселенной приобрела самостоятельный интерес. Проблема нуклеосинтеза в начале космологического расширения была тем временем правильно решена трудами Хаяши (1950) и Ферми, Туркевича (1950). Расчет предсказывал следующий состав дозвездного вещества: водород 75— 65%, гелий-4 25—35%. Но другого и не требуется — остальные элементы синтезируются в звездах. Заметим, что работа Ферми и Туркевича так и не опубликована, по-видимому, они пользовались данными о реакциях изотопов водорода, которые в то время не подлежали оглашению. Позднее рассматривались и следы других элементов: образующихся в космологическом нуклеосинтезе.

Любопытно, что авторов горячей модели интересовали главным образом интегральные свойства реликтового излучения: плотность, давление, температура, но не его спектр. Основываясь на не слишком надежных соображениях, Гамов в 1956 г. дал оценку температуры РИ для настоящего времени

Главным образом в целях самокритики отметим альтернативную гипотезу о «холодной Вселенной». Было известно [Пейерльс и др.

(1952), что холодное сверхплотное вещество такого состава, с которым мы встречаемся в звездах (нейтронные и гиперонные звезды, см. ТТ и ЭЗ), при расширении дает только тяжелые ядра, водорода не остается. Такой вариант гипотезы «холодной Вселенной» резко противоречит наблюдаемой картине (известно, что водород составляет не меньше 60% всего вещества).

Однако, по замечанию Зельдовича (19626), холодное вещество с избытком нейтрино в ходе расширения превратится в чистый водород. Для этого нужно только, чтобы в смеси ферми-энергия холодных нейтрино все время превосходила ферми-энергию электронов.

В связи с этой гипотезой, а также в связи с вопросом о средней плотности электромагнитной энергии во Вселенной Дорошкевич и Новиков (1964) провели — по-видимому, впервые — полный расчет широкого спектра электромагнитного излучения в эволюционирующей Вселенной — от самых длинных радиоволн до ультрафиолета. На кривые, полученные сложением вкладов излучения радиоисточников и звезд, был наложен планковский спектр РИ, который должен наблюдаться в случае горячей Вселенной.

Впервые в этой работе отмечено, что в определенном участке спектра планковский спектр РИ на несколько порядков интенсивнее суммы излучения от источников. Стала ясна возможность решающего опыта наблюдения РИ, от которого зависит выбор между горячей и холодной моделями Вселенной. В работе Дорошкевича и Новикова впервые появилась двугорбая кривая (график спектра с двумя максимумами — один соответствует излучению звезд, второй — РИ), которая потом, уже после открытия РИ, долго украшала рекламы фирмы «Белл».

Дальнейшая история хорошо известна: Пензиас и Вилсон (1965) наткнулись на необъяснимый равномерный радиошум на длине волны 7,3 см. В это время Дикке, Пиблс, Ролл и Вилкинсон (1965) готовили аппаратуру для измерения радиофона на длине волны 3 см с сознательным намерением проверить теорию горячей Вселенной и определить температуру реликтового излучения. Работая независимо от Дорошкевича и Новикова, они, очевидно, имели в это время сходные оценки. Узнав о результатах Пензиаса и Вилсона, Дикке и его группа немедленно интерпретировали эти результаты как подтверждение теории горячей Вселенной и назвали температуру РИ - около

Дальнейшее развитие было бы неуместно излагать в рамках исторического обзора, так как последующие результаты подлежат систематическому изложению.

Здесь, для того чтобы дать завершенную картину, мы приведем лишь выводы: теория горячей Вселенной как теория огромного этапа эволюции Вселенной в настоящее время установлена окончательно. Решающим аргументом является существование и свойства РИ. Те уточнения, которые могут последовать (в силу того, что точность всех проделанных измерений не абсолютна), не изменят основного вывода о горячей Вселенной, а дадут информацию о деталях процессов, которые протекали в прошлом.

Поэтому уже сейчас ясно, что объяснять отклонения можно (и нужно) будет в рамках теории горячей Вселенной, с учетом небольшой неоднородности, образования галактик и квазаров и других аналогичных явлений. Нуклеосинтез (ситуация с которым не вполне ясна, так как не определена точно роль звезд в синтезе Не и некоторых других элементов) не играет решающей роли в доказательстве теории горячей Вселенной, хотя то, что он дает результаты о количестве (а также отчасти и близкие к наблюдениям, несомненно является аргументом в ее пользу.

Сказанное не должно рассматриваться как догматизм. В рамках теории горячей Вселенной остается много невыясненных вопросов, которые, по мере разумения, мы будем отмечать ниже. Остаются глубокие, принципиальные нерешенные вопросы о природе сингулярности в начале расширения (см. разделы IV и V).