Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках

Мухин Лев Михайлович

Итак, если изначально число частиц и античастиц было одинаковым, то в принципе все они за какое-то время должны были бы в результате аннигиляции превратиться в фотоны, в свет, в нейтрино и антинейтрино. Но этого нет, и, по крайней мере, для нашей Галактики твердо установлено отсутствие звезд и планет из антивещества.

С другими участками Вселенной, которые можно наблюдать сегодня, дело посложнее. Ведь, наблюдая другие галактики, астрономы имеют дело лишь с квантами электромагнитного излучения, и поэтому, если бы какая-либо удаленная галактика состояла из антивещества, мы не могли бы узнать об этом даже в принципе, поскольку антивещество излучает фотоны так же, как и обычная материя.

Это, кстати говоря, один из сильных аргументов Альвена и его немногочисленных сторонников.

Тем не менее гипотеза зарядовой асимметрии Вселенной имеет веские экспериментальные подтверждения. Дело в том, что обычное вещество во Вселенной присутствует заведомо. Если бы какие-то галактики состояли из антивещества, то в космосе должны были интенсивно проходить процессы аннигиляции электронов и позитронов, а также протонов и антипротонов. В результате в спектрах гамма-излучения этих галактик должен был бы наблюдаться избыток квантов с энергией ~ 0,5 МЭВ. Но подобный факт не удалось отметить в наблюдениях.

Вещество Вселенной все-таки состоит, по всей видимости, из протонов. Почему? Здесь мы должны вернуться снова в область высоких температур и объединения взаимодействий, когда могли идти экзотические реакции рождения кварков и антикварков.

Так вот, работами последних лет достаточно убедительно показано, что в этих реакциях кварков должно рождаться чуть больше, чем антикварков. Насколько? Ответ таков: на три миллиарда антикварков должно родиться 3 миллиарда и еще три кварка. Тогда 6 миллиардов кварков и антикварков проаннигилируют, а три оставшихся кварка «упадут» со временем в адронный «мешок» и образуют протон или нейтрон. Важно отметить, что в результате всех этих процессов во Вселенной на один протон приходится примерно миллиард фотонов и миллиард нейтрино.

Таким образом, вопрос о том, почему наша Вселенная состоит из вещества, а антивещество отсутствует, находит решение с использованием гранд-моделей.

Мы остановились на моменте времени в развитии Вселенной, когда установилось определенное отношение между нейтронами и протонами. Следующий важный процесс в расширяющейся горячей Вселенной — начало синтеза элементов.

До сих пор Вселенная представляла собой горячий котел, заполненный лишь частицами. С понижением температуры появляются условия для образования простейших атомных ядер. Прошло чуть больше ста секунд, температура упала до миллиарда градусов. Почему эта температура критична для нас? Собственно, не для нас, конечно, а для физики ранней Вселенной. Да просто дело в том, что энергия фотонов и лептонов уже недостаточна при этой температуре, чтобы развалить при ударе ядро атома.

Заметим, что субстрата для образования атомов водорода в ранней Вселенной более чем достаточно. Это протоны и электроны. А вот при миллиарде градусов начинается уже синтез ядер атома гелия. Этот синтез проходит в несколько этапов. Сначала протоны захватывают нейтроны и образуются ядра дейтерия: р + n -> D + . Два ядра дейтерия, взаимодействуя между собой, могут образовать изотоп гелия гелий-3 и изотоп водорода — тритий:

D + D -> ³H + p

D + D -> ³He + n -> ³H + p.

Далее тритий,

взаимодействуя с дейтерием, дает окончательно гелий-4:

³H + D -> ⁴He + n.

В этих условиях, казалось бы, самое время «свариться» и другим элементам, более тяжелым, чем водород и гелий. К примеру, почему бы путем столкновений между теми же ядрами гелия или ядер гелия с нейтронами и протонами не получить новые элементы?

Но природа поставила здесь барьер, и барьер этот непреодолим: не существует стабильных изотопов с массой 5 или 8. Поэтому в гигантской водородной бомбе, которой была наша Вселенная миллиарды лет назад, синтезировались лишь легкие элементы — водород, гелий да немного лития. Разумеется, сегодня мы видим вокруг нас не только гелий и водород, но и массу других элементов. Но для образования этих элементов нужны другие условия, нежели те, что были в ранней Вселенной. В частности, нужна большая температура и плотность в течение более длительного времени. Когда в дальнейшем мы будем говорить о звездах, мы увидим, как синтезируются в природе более тяжелые элементы.

Процесс синтеза ядер легких элементов продолжался около трех минут после начала Большого Взрыва. С падением температуры синтез гелия прекратился, и теперь уже «заморозились», то есть остались неизменными, относительные концентрации гелия и водорода: ядра водорода составляли 70 процентов вещества Вселенной, ядра атомов гелия — 30.

Необходимо заметить, что отношение концентраций ядер гелия и водорода друг к другу сильно зависит от темпа расширения и, соответственно, от средней плотности вещества во Вселенной. Поэтому в какой-то мере это отношение может использоваться для проверки правильности той или иной космологической модели. Оценки содержания гелия в горячих звездах во внешней атмосфере Солнца, в солнечном ветре и т. д. дает достаточное основание для подтверждения правильности «стандартной» теории (дающей цифру в 30 процентов для гелия).

Кроме термоядерного синтеза легких элементов, в первые секунды происходил еще один очень важный и бурный процесс. Мы уже говорили о том, что в состав горячего вещества Вселенной входили лептоны — легкие частицы, и сейчас нам надо посмотреть, что происходило с электронами, позитронами и нейтрино по мере остывания гигантского первичного котла. При температурах выше примерно пяти миллиардов градусов электроны и позитроны присутствуют в раскаленной плазме в одинаковых концентрациях. Конечно, реакции аннигиляции, происходящие при столкновении электрона и позитрона, идут при любой температуре: e⁺ + e^– -> 2; e⁺ + e^– -> 2 + ^–. Но при высокой температуре эти реакции компенсируются процессом рождения пар: + -> e^– + e⁺ или + ^– -> e⁺ + e^–.

С падением температуры реакции аннигиляции становятся «главными», так как энергии частиц для рождения пар уже не хватает.

Нейтрино исключительно слабо взаимодействуют с веществом, для них прозрачен даже наш земной шар. Поэтому примерно через 0,3 секунды после Большого Взрыва нейтрино начинают «игнорировать» все вещество Вселенной (включая, конечно, и электроны с позитронами). Их число уже не меняется. Говорят, что произошло отделение нейтрино от вещества. Этот процесс происходит при температуре больше десяти миллиардов градусов.