Главная > Строение и эволюция Вселенной
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
540
541
542
543
544
545
546
547
548
549
550
551
552
553
554
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
566
567
568
569
570
571
572
573
574
575
576
577
578
579
580
581
582
583
584
585
586
587
588
589
590
591
592
593
594
595
596
597
598
599
600
601
602
603
604
605
606
607
608
609
610
611
612
613
614
615
616
617
618
619
620
621
622
623
624
625
626
627
628
629
630
631
632
633
634
635
636
637
638
639
640
641
642
643
644
645
646
647
648
649
650
651
652
653
654
655
656
657
658
659
660
661
662
663
664
665
666
667
668
669
670
671
672
673
674
675
676
677
678
679
680
681
682
683
684
685
686
687
688
689
690
691
692
693
694
695
696
697
698
699
700
701
702
703
704
705
706
707
708
709
710
711
712
713
714
715
716
717
718
719
720
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

§ 6. Сравнение наблюдательных данных о распространенности легких элементов во Вселенной с предсказаниями теории

Что говорят наблюдения о распространенности химических элементов во Вселенной? Подтверждают ли они предсказан теории горячей Вселенной?

Прежде всего, ясно, что, даже зная химический состав космических объектов в настоящее время, еще нельзя сравнивать непосредственно эти данные с космологической теорией, так как химические элементы могут синтезироваться (и разрушаться тоже) в течение эволюции небесных тел — например, в звездах или при взаимодействии космических лучей с межзвездным веществом. Поэтому необходимо проанализировать вопрос об эволюции распространенности химических элементов со временем и только после этого сравнить теорию с наблюдениями. Мы начнем с того, что приведем данные о распространенности химических элементов, затем проанализируем возможности синтеза или разрушения элементов в разных процессах и, наконец, сделаем заключение о химическом составе дозвездного вещества, из которого формировались первые объекты. Прекрасный обзор этого вопроса дан в работе Ривса, Аудуза, Фаулера и Шрамма (1973), которой мы, главным образом, придерживаемся в дальнейшем изложении (там же подробная библиография).

Мы будем говорить только о легких элементах, ибо, как уже неоднократно отмечалось выше, синтез тяжелых элементов (углерода и тяжелее) может быть полностью объяснен процессами, происходящими в ходе эволюции звезд [см. Труран и Камерон (1971)], и последующими выбросами газа из них. В космологическом нуклеосинтезе количество образующихся элементов тяжелее бора ничтожно.

Ниже приводится табл. IV наблюдательных данных, взятая из цитируемой работы. В ней дается относительная концентрация

ТАБЛИЦА IV (см. скан) элементов по числу атомов, а не по весу (которую мы обозначаем через как в предыдущем параграфе.

Мы начнем обсуждение с который является вторым по распространенности (после элементом Вселенной. Вопрос о проанализирован в обзоре Сирла и Сэржента (1972).

Содержание может быть уверенно определено внутри молодых звезд, в звездных атмосферах и в межзвездном газе.

Теория строения звезд предсказывает определенные соотношения для зависимостей между массой, радиусом и светимостью молодых звезд. Содержание гелия входит в эти зависимости как параметр. Сравнение теории с наблюдениями дает концентрацию . В звездных атмосферах и межзвездном газе концентрация определяется спектроскопически с использованием теории возбуждения и ионизации

Оказалось, что, за малым исключением (см. далее), массовая концентрация гелия всегда лежит в пределах

Это относится и к распространенности в ближайших галактиках, где гелий наблюдается по эмиссионным линиям ионизованного газа.

Теперь об исключениях. Атмосферы некоторых звезд (таких, например, как Cen A) крайне бедны гелием. Подобных звезд очень немного, и все они показывают сильные аномалии в содержании не только гелия, но и других элементов. По-видимому, какие-то процессы на поверхности таких звезд резко исказили их поверхностный химический состав.

Мог ли весь наблюдаемый синтезироваться в ходе эволюции звезд первых поколений, которые затем выбрасывали обогащенный гелием газ в пространство и из этого «загрязненного» гелием газа образовывались на более поздней стадии современные объекты? Тщательный анализ показывает, что это вряд ли возможно. Наиболее убедительно против такой возможности говорит анализ диаграмм светимость — спектральный класс для старых звездных скоплений. Характер диаграмм этих скоплений зависит от возраста и начального содержания гелия в звездах. Оказывается, что это начальное содержание у наиболее старых (и поэтому бедных металлами) звезд нашей Галактики около 0,3.

Сирл и Сэржент (1972) и Ривс и др. (1973) приходят к выводу, что содержание в дозвездном веществе было, вероятно, примерно таким же, как и сегодняшнее, т. е. около 0,3.

Содержание D в веществе, из которого образовывалась Солнечная система, можно оценить, исследуя количество на Солнце. Дело в том, что на Солнце захватывая протон, превращается в Не. Таким образом, количество Не дает верхний предел количества D в досолнечном веществе. Оценки дают

С другой стороны, содержание D в атмосфере Юпитера оценивается в Верхние пределы распространенности D в других космических объектах даны в табл. IV.

Однако распространенность молекул с находится в отношении, существенно отличающемся от отношения распространенности атомов Квантовая механика учит, что потенциальная кривая характеризующая силовое поле, в котором движется ядро (протон или дейтон), одинакова, например, в молекулах и Однако при одинаковом очевидно, частота колебаний в 12 раз больше частоты колебаний D. Значит, больше и нулевая энергия колебаний Поэтому молекула имеет в основном состоянии больше энергии, чем молекула Как следствие, распространенность молекул относительно меньше:

При низкой температуре оказывается

Синтез дейтерия идет в огромных масштабах в звездах главной последовательности: процесс является первым шагом водородного цикла в звездах. Однако образующийся дейтерий тут же сгорает по реакции

Обе реакции имеют одинаковый кулоновский барьер, различие масс невелико, поэтому температурная зависимость обеих реакций отличается мало: для первой реакции и для второй. Но первая реакция включает слабое взаимодействие, поэтому ее скорость в раз меньше скорости второй реакции. В уравнении концентрация дейтерия, «н—концентрация водорода)

и в стационарном состоянии

(независимо от плотности и практически независимо от температуры).

При дейтерий выгорает мгновенно.

При температуре и плотности водорода дейтерий все еще выгорает за время лет. Поэтому в звездах выгорание дейтерия с превращением его в в огромной степени преобладает над образованием дейтерия. Таким образом, обычно считается, что D не может синтезироваться в заметных количествах ни в каких процессах в галактиках, а также в сверхмассивных объектах, если таковые имеются. Дейтерий может только разрушаться, как это имеет место, например, на Солнце. Поэтому считается, что весь D надо объяснять его синтезом в начале расширения горячей Вселенной.

Однако недавно Хойл и Фаулер (1973) высказали предположение, что D может синтезироваться при движении полурелятивистских -частиц сквозь ионизованный водород. Такие процессы могут возникать, например, при взрывах сверхновых или сверхмассивных звезд. Авторы приходят к заключению, что даже весь D мог в принципе быть синтезирован в таких процессах.

Несколько замечаний о других легких элементах. В принципе весь Не может быть синтезирован уже после образования галактик в процессах, происходящих в звездах. Наконец,

а также, вероятно, и существенная часть объясняются процессами взаимодействия космических лучей с веществом.

Итак, вероятно, только распространенность и отчасти D может служить для оценки их содержания в дозвездном веществе, т. е. для сравнения теории синтеза элементов в горячей Вселенной с наблюдениями [обзор происхождения легких элементов см. Ривс (1974)].

Соответствующие массовые (а не по числу атомов, как в табл. IV) содержания в звездном веществе [см. (7.6.1) и (7.6.2)] суть

Какие можно сделать из этого выводы?

Прежде всего, величина У очень близка к тому, что предсказывает теория в простейшем, наиболее естественном случае без неизвестных частиц и без заметного лептонного заряда (см. предыдущий параграф). Надо подчеркнуть, что эта величина мало чувствительна к вариациям сегодняшнего значения средней плотности во Вселенной (см. рис. 32). Это совпадение теории и наблюдений служит веским аргументом в пользу правильности теории.

Значение может получиться при синтезе D в начале космологическсго расширения только в том случае, если сегодняшняя плотность имеет минимальное допустимое значение равное усредненной плотности материи, входящей в галактики. Если это так, то межгалактического газа с заметной плотностью (существенно большей плотности вещества в галактиках и достаточной, например, для того, чтобы замкнуть мир) быть не должно. Однако надо помнить, что значение для дозвездного вещества известно не очень надежно.

Полагая, что наблюдаемый дейтерий имеет космологическое происхождение, Ривс и др. (1973) делают важные выводы. Дело в том, что концентрация дейтерия сильно зависит от плотности вещества (см. рис. 32). Уменьшение концентрации D с ростом связано с тем, что дейтерий сильнее выгорает (по реакции в космологических условиях) при большей плотности.

Наблюденная концентрация дейтерия свидетельствует в пользу 00,1. В настоящее время надежность этого утверждения невелика, однако направление исследований является чрезвычайно важным и многообещающим. В работе Хойла и Фаулера (1973) ставится вопрос о том, не может ли часть дейтерия (или весь дейтерий) образоваться при взрывах сверхновых звезд, в ударных волнах, распространяющихся в межзвездном газе. В этой работе есть слабые места: структура ударной волны рассматривается упрощенно, без учета плазменных эффектов, не рассматриваются другие ядерные реакции (кроме образования D).

Возражения против гипотезы Хойла и Фаулера даны в работе Эпштейна, Арнета и Шрамма (1974). Они показали, что при образовании D одновременно образовалось бы много что противоречит наблюдениям.

Дискуссия не закончена, авторы данной книги надеются, что в итоге укрепится и уточнится теория космологического происхождения дейтерия.

В заключение отметим, что наблюдаемое в данное время обилие D [Рогерсон, Йорк (1973)], вероятно, даже значительно меньше, чем в дозвездном веществе, так как межзвездное вещество в значительной части должно было пройти через стадию звезд. По оценкам Трурана и Камерона (1971) отношение уменьшилось в 6 раз по сравнению с первоначальным. В однородной модели такое соответствует, как мы уже упоминали, Это, возможно, противоречит определениям (см. § 11 гл. 14). Возможное объяснение см. Зельдович (1975а).

Итак, можно сказать, что теория ядерного синтеза в космологии подтверждается наблюдениями, хотя последние еще слишком грубы, чтобы на их основе делать более тонкие выводы о параметрах космологической модели.

1
Оглавление
email@scask.ru