Черные дыры и Вселенная

Новиков Игорь Дмитриевич

Нейтринный эксперимент

Весной 1980 года группа исследователей из Института теоретической и экспериментальной физики АН СССР, возглавляемая В. Любимовым и Е. Третьяковым, опубликовала результаты многолетних экспериментов, которые указывают на отличие массы покоя электронных нейтрино от нуля. (Напомним, что для краткости мы говорим только об электронных нейтрино. А как упоминалось, существует еще два сорта нейтрино — мюонные и тау-нейтрино.) Вероятное значение массы покоя электронных нейтрино, найденное в этих экспериментах, составляет примерно 6*10 ^{– 32}грамма или, в других единицах, 35 эВ. Это, в частности, значит, что электронные нейтрино не обязаны, как считалось раньше, двигаться со скоростью света, они могут двигаться

с любой скоростью, меньше световой, а также находиться в состоянии покоя.

Хочется подчеркнуть огромную сложность экспериментов по определению массы покоя нейтрино и тот факт, что сами экспериментаторы не считают массу нейтрино окончательно установленной. Эта величина еще будет проверяться и перепроверяться. Однако если полученный результат подтвердится, то следствия из него будут чрезвычайно серьезными, особенно для астрономии. Скорее всего поэтому теоретики не стали дожидаться окончательных результатов в проверке величины массы нейтрино и активно стали исследовать то, что нужно будет изменить в наших представлениях о Вселенной с учетом у нейтрино массы покоя. Кстати, появляются сообщения о других экспериментах, говорящих об отличии массы покоя нейтрино от нуля, причем не только для электронных, но и для других сортов нейтрино.

Следует напомнить, что возможные последствия для астрофизики, вытекающие из гипотезы о существовании у нейтрино массы покоя, рассматривались задолго до обсуждаемых экспериментов. Еще в 1966 году советские физики С. Герштейн и Я. Зельдович рассмотрели вопрос о том, как бы сказывалась значительная масса покоя нейтрино на расширении всей Вселенной. Венгерские физики Г. Маркс и О. Шалаи также изучали возможные космологические следствия предположения о ненулевой массе покоя нейтрино.

Но все это были, так сказать, первые прикидки, анализ разных возможностей. Ситуация резко изменилась после прямого эксперимента советских физиков.

Теоретики, вооруженные указанием экспериментаторов, поднялись на настоящий штурм проблемы.

Нейтринная вселенная

Согласно данным, полученным в ИТЭФе, нейтрино в 20 тысяч раз легче электрона и в 40 миллионов раз легче протона. Почему же теоретики считают, что эта легчайшая, ни с чем не взаимодействующая частица должна играть определяющую роль во Вселенной?

Ответ прост: во Вселенной очень много реликтовых нейтрино. В кубическом сантиметре их в среднем почти в миллиард раз больше, чем протонов, и, несмотря на ничтожную массу, в сумме нейтрино оказываются главной составной частью массы материи во Вселенной. Нетрудно подсчитать, что если масса покоя электронных нейтрино равна 6*10 ^{– 32}грамма, то только их средняя плотность (не учитывая нейтрино других сортов) составляет примерно 10 ^{– 29}г/см ³, а это примерно в 10—30 раз превышает плотность всего другого «не нейтринного» вещества. И значит, именно тяготение нейтрино должно быть главной действующей силой, определяющей законы расширения Вселенной сегодня. Обычное вещество по массе, а значит, и по гравитационному действию составляет только 3—10 процентов «примеси» к основной массе Вселенной — к массе нейтрино. Можно поэтому смело сказать, что Вселенная состоит в основном из нейтрино, что мы живем в нейтринной Вселенной. Именно этот вывод мы имели в виду, когда в начале главы говорили о фантастической картине, открывшейся перед глазами ученых.

Полученный вывод имеет еще одно интересное следствие.

Важнейшим вопросом, касающимся эволюции Вселенной, является вопрос о том, будет ли вечно продолжаться ее расширение. Ответ, как мы знаем, зависит от того, чему равна средняя плотность материи во Вселенной: если она больше критического значения, то тяготение этой материи через какое-то время затормозит расширение Вселенной и заставит галактики сближаться друг с другом — Вселенная сменит расширение на сжатие; если же плотность меньше критического значения, то тяготение материи недостаточно для того, чтобы остановить расширение, и Вселенная будет расширяться вечно.

Критическая плотность, по современным данным» равна, как говорилось, 10 ^{– 29}г/см ³.

Еще недавно считалось, что основную долю плотности во Вселенной составляет обычное вещество, для которого плотность равна примерно 3•10 ^{– 31}г/см ³. Это означало, что плотность меньше критической и Вселенная должна расширяться вечно. Теперь же есть веские основания считать, что плотность только реликтовых электронных нейтрино примерно равна критической 10 ²⁹г/см ³. Следует вспомнить, что, помимо реликтовых электронных нейтрино» есть еще мюонные и тау-нейтрино. Об их массе покоя ничего не известно из прямых экспериментов, однако из теории и косвенных экспериментов следует, что если отлична от нуля масса покоя электронных нейтрино, то, вероятно, отлична от нуля и масса покоя других сортов нейтрино. Причем, вероятно, массы покоя других сортов нейтрино не меньше массы покоя электронных нейтрино. Если мы учтем это, то средняя плотность материи во Вселенной окажется больше критической. А это значит, что в далеком будущем, скорее всего через многие миллиарды лет, расширение Вселенной сменится сжатием, и причиной этого «сильнейшего» вывода оказалась «слабейшая» из частиц — нейтрино.

Происхождение галактик

Вернемся к вопросу о происхождении структуры Вселенной. В начале ее расширения вещество представляло собой почти однородную расширяющуюся горячую плазму. Почему же эта однородная плазма на некотором этапе распалась на комки, которые развились в небесные тела и их системы? Как появились зачатки скоплений галактик?

Согласно мнению большинства специалистов подобный процесс происходит из-за гравитационной неустойчивости: маленькие случайные начальные уплотнения вещества своим тяготением стягивают вещество и за счет этого усиливаются - сгущаются и разрастаются. Эти сгустки вещества при определенных условиях могут вырасти в большие комки, дающие начало скоплениям галактик. Основы теории, описывающей этот процесс, были сформулированы еще в 1946 году советским физиком, ныне академиком, Е. Лифшицем.

Теперь мы можем считать, что во Вселенной тяготение нейтрино оказывается важнейшим фактором, и именно это тяготение надо прежде всего учитывать при анализе роста неоднородностей вещества под действием гравитационной неустойчивости.

Общая картина роста неоднородностей представляется следующей. В самые первые мгновения после начала расширения Вселенной были случайные, очень маленькие неоднородности в распределении плотности материи в пространстве. Мы знаем, что спустя всего одну секунду после начала расширения плотность вещества уже недостаточно велика, чтобы препятствовать свободному полету сквозь него нейтрино всех сортов. Нейтрино в этот период имеют еще очень большую энергию и летят со скоростью, очень близкой к скорости света. При этом, естественно, идет выравнивание неоднородностей, создается более равномерное распределение нейтрино. Однако происходит это только в малых пространственных масштабах в районах, сравнительно малых по линейным размерам нейтринных сгущений.

Действительно, из сравнительно мелких сгущений нейтрино успевают вылететь и перемешаться с другими нейтрино достаточно быстро, усредняя, сглаживая все неоднородности. И чем больше проходит времени, тем больше (по линейному размеру) неоднородности нейтрино успевают «рассосаться». Так будет продолжаться до тех пор, пока нейтрино, теряющие энергию вследствие расширения Вселенной, не станут двигаться со скоростью заметно меньшей, чем скорость света. Расчеты показывают, что примерно через 300 лет после начала расширения скорость нейтрино упадет настолько, что они уже не будут успевать вылетать из комков большого размера. И такие комки, плотность в которых сначала лишь немного превышает среднюю, могут усиливаться тяготением, сгущаться и расти, пока среда не распадется на отдельные сжимающиеся облака из нейтрино.