гарячої всесвіту теорія

ГАРЯЧОЇ ВСЕСВІТУ ТЕОРІЯ - сучасна теорія фіз. процесів у Всесвіті, згідно якої в минулому Всесвіт мала значно більшу, ніж зараз, щільність речовини і дуже високу темп-ру. Спочатку Г. В. т. Була запропонована Г. Гамовим (G. Gamov, 1948) для пояснення поширеності в природі різних хім. елементів і їх ізотопів. У ті роки існувала занижена оцінка часу, що пройшов з початку розширення Всесвіту (неск. Мільярдів років). Згідно висунутої Гамовим гіпотезі, практично всі елементи виникли в ядерних реакціях на самому початку розширення Всесвіту при великій темп-ре, а наступний синтез елементів в зірках за дек. мільярдів років не встиг суттєво вплинути на поширеність елементів.

У роботах 50-х рр. 20 в., Виконаних T. Хаясі (T. Hayashi), Е. Фермі (E. Fermi) і А. Туркевичем (A. Turkevich), було показано, що спроби пояснити існуючу поширеність всіх елементів їх синтезом на самому початку розширення Всесвіту були неспроможними. Якщо строго слідувати Г. В. т., То в результаті ядерних реакцій на початку розширення утворюється тільки водень і гелій, домішка ін. Легких елементів незначна, а важкі елементи практично зовсім не утворюються. Однак з відкриттям, що час розширення Всесвіту перевищує 10 млрд. Років, стало можливим пояснити поширеність важких елементів їх нуклеосинтезом в зірках.

На початку розширення Всесвіту при великій темп-ре в термодинамич. рівновазі з речовиною повинно було знаходитися ел - магн. випромінювання . В ході розширення речовина і випромінювання остигають, і до теперішнього часу у Всесвіті має існувати низькотемпературне випромінювання (його зв. мікрохвильовим фоновим випромінюванням або реліктовим випромінюванням), для к-якого речовина сьогоднішньої Всесвіту практично прозоро. Існування у Всесвіті такого випромінювання, що має темп-ру всього дек. Кельвінів, було передбачене Г. Гамовим (1956).

У 1964 А. Г. Дорошкевич та І. Д. Новіков вперше розрахували широкий спектр щільності ел - магн. випромінювання від усіх джерел в еволюціонує Всесвіту (включаючи радіогалактики і зірки) і показали, що в області сантиметрових і міліметрових хвиль інтенсивність реліктового випромінювання з температурою бл. 1 До і вище буде на багато порядків перевершувати випромінювання окремих джерел, і воно може бути виявлено. Реліктове випромінювання (РІ) було відкрито А. Пензиасом (A. Penzias) і P. Вільсоном (R. Wilson) в 1965 на довжині хвилі 7,3см. Виявлення РІ стало вирішальним тестом, який підтвердив справедливість гіпотези про високу початкової темп-ре Всесвіту. Ретельні наступні спостереження показали, що РІ дійсно є рівноважним, як передбачає теорія, і має темп-ру 2,7 К. Совр. кількість фотонів РІ в од. обсягу = 500 см-3, а важких частинок ( баріонів , Гл. обр. протонів) Nb приблизно 10-6 см-3. Ставлення s = 109 майже не змінюється з розширенням Всесвіту і характеризує уд. ентропію Всесвіту , К-раю виявляється дуже великий. Щільність маси реліктового випромінювання сьогодні 5 * 10-34 г / см3 ( 10-1 ерг - пор. енергія одного фотона) багато менше щільності маси звичайного в-ва 10-30 г / см3 (mb 10-24 г - маса протона): 5-10-4. У минулому РІ переважало над речовиною не тільки по числу частинок, але і по масі. Дійсно, з розширенням Всесвіту енергія кожного кванта зменшується пропорційно його частоті через червоного зсуву , Т. Е. Паралельно зі збільшенням просторів. масштабів. Звідси випливає, що в минулому при щільності речовини 10-20 г / см3 щільність випромінювання дорівнювала щільності речовини ( 10-20 г / см3), а частота випромінювання відповідала діапазону видимого світла. Для більш раннього періоду . Тому при аналізі динаміки розширення Всесвіту в ранні епохи можна знехтувати "домішкою" звичайної речовини, що входить в наш час до складу галактик, зірок, планет.

Закон падіння темп-ри у Всесвіті для ранньої епохи її розширення (в межах дек. Років або сотень років після початку розширення) записується у вигляді . Тут час t (в секундах) відраховується від того моменту, коли щільність матерії дорівнює (формально) нескінченності (т.зв. сингулярне стан). Фіз. процеси при Т> 1013 К і щільності > 1018 р / см3 ще недостатньо добре вивчені суч. фізикою і висновки про процеси в цих умовах не можуть вважатися надійними. Однак процеси при Т <1013 К можна розглядати з повною упевненістю.

При дуже великій щільності і темп-pax всі процеси взаємодії часток відбуваються надзвичайно швидко, набагато швидше зміни фіз. умов внаслідок розширення Всесвіту, і тому є повне термодинамич. рівновагу між усіма сортами частинок (і їх античастинок ), К-які можуть народжуватися при енергіях, відповідних даної темп-ре.

при T 1013 До в рівновазі знаходяться баріони і антібаріонов, різні сорти мезонів і їх античастинок, мюони електрони і їх античастинки, всі сорти нейтрино і антинейтрино , Фотони.

Швидкі перетворення одних частинок в інші підтримують рівновагу, кількість частинок різних сортів приблизно однаково. Зі зменшенням темп-ри при розширенні у взаємодіючих частинок вже не вистачає енергії для народження нових важких частинок, і ці частинки, стикаючись зі своїми античастинками, анігілюють ( "вимирають"). при t 10-6 с починають вимирати баріони, потім мезони і мюони. Після вимирання баріонів і антібаріонов залишається невелика кількість баріонів (~ 10-9 від вихідного числа), т. К. С самого початку, відповідно до теорії, їх було трохи більше, ніж антібаріонов. З цих баріонів і утворилися пізніше всі небесні тіла. Інша доля у частинок з нульовою (або дуже малої) масою спокою. Такими частками є всі сорти нейтрино і антинейтрино. При охолодженні і зменшенні швидкостей реакцій настає момент, коли реакції з відповідними частками перестають протікати і частки стають вільними, т. Е. Всесвіт для них виявляється практично прозорою. Так, при t 0,01 с вільними стають мюонні нейтрино , При t 0,3 с - електронні нейтрино . Важливо підкреслити, що і після звільнення частки продовжують "остигати", зменшувати свою енергію внаслідок розширення Всесвіту. Це відбувається тому, що вільно летить частка переходить з одного об'єму речовини в інший, віддаляється від першого. Тому частка має відносно другого обсягу меншу енергію, ніж була її енергія щодо першого обсягу, і т. Д. При t 10 з вимирають електронно-позитронного пари (вони перетворюються в фотони). Після цього у Всесвіті залишаються нейтрино і антинейтрино всіх сортів, фотони і невелика домішка звичайної речовини (одна мільярдна частка за кількістю частинок) у вигляді плазми (Суміші баріонів і електронів).

До сьогоднішнього моменту реліктові фотони охололи і мають, відповідно до спостережень, темп-ру T 2,7 К. Крім реліктових фотонів сьогодні повинні існувати реліктові нейтрино з температурою трохи нижче, ніж у фотонів (T 2 K). Більш висока темп-pa фотонів в порівнянні з нейтрино пояснюється тим, що пари , Перетворившись в фотони, додали свою енергію до енергії фотонів. Пряме спостереження реліктових нейтрино поки неможливо.

Для подальшої еволюції Всесвіту важливі фіз. процеси, що протікають в речовині, з к-якого згодом утворюються галактики, зірки, планети. при T 2 * 1010 До баріони існують у вигляді протонів р і нейтронів п. Ці частинки швидко перетворюються один в друга під впливом оточуючих енергійних частинок

і встановлюється термодинамич. рівновагу між кількістю нейтронів і протонів. Ставлення числа нейтронів до числа протонів в од. обсягу в рівновазі

де - різниця мас нейтрона і протона. При t порядку неск. секунд реакції (*) практично припиняються, і ставлення числа нейтронів до загальної кількості баріонів (Np + Nn) в од. обсягу "застигає" на значенні Nn (Np + Nn) 0,15. З подальшим зниженням T, через дек. хвилин після початку розширення, починають інтенсивно протікати ядерні реакції об'єднання нейтронів і протонів, що закінчуються утворенням 4He. Синтез більш важких елементів не відбувається, тому що ядро 4He не приєднуватися до себе нейтрони і ін. наявні частки. В результаті майже всі нейтрони увійдуть до складу ядер 4He, що дасть щодо утримання 4He по масі ок. 25% від маси всього речовини. Решта протони складають по масі ок. 75%. Домішка ін. Елементів нехтує мала. Речовина з таким складом пізніше утворює небесні тіла, зокрема зірки першого покоління (див. еволюція зірок ).

Після перших п'яти хвилин всі ядерні реакції у Всесвіті припиняються. Речовина продовжує розширюватися і охолоджуватися. У цю епоху довжина вільного пробігу фотонів дуже мала, т. К. плазма для них непрозора. Тиск РІ перешкоджає утворенню до - л. ізольованих об'єктів під дією сил тяжіння.

Через приблизно 300 тис. Років плазма остигає до T 4000 К, електрони об'єднуються з протонами і плазма перетворюється в нейтральний газ. Цей газ прозорий для реліктових фотонів, тиск РІ не впливає на стан газу. З цього моменту під дією гравитац. сил в речовині починається зростання окремих ущільнень (див. гравітаційна нестійкість ), з яких брало потім утворюються небесні тіла - формується структура Всесвіту (див. Космологія, Великомасштабна структура Всесвіту).

Суч. теорія припускає, що поряд з відкритими частками в формуванні структури Всесвіту міг брати участь і ряд гіпотетичних поки частинок. Вони, ймовірно, сьогодні також повинні бути присутніми у Всесвіті як і реліктові фотони і нейтрино. Пряме виявлення таких частинок поки неможливо, т. К. Вони вкрай слабо взаємодіють із звичайною речовиною і можуть проявляти себе тільки через тяжіння (див. прихована маса ).

Важливі, поки ще не зовсім ясні процеси протікали поблизу сингулярного стану матерії на самому початку розширення (при щільності, близьких до т. Зв. Планковской щільності ~ 1094 г / см3). Тут при дуже високих енергіях частинок об'єднувалися, мабуть, всі види фізичних взаємодій (див. Велике об'єднання ), Квантові процеси були істотні в масштабах всього Всесвіту. В ході розширення могли відбуватися фазові перетворення матерії, пов'язані з розщепленням єдиного взаємодії на окремі складові (див. роздувається Всесвіт ). T. о., В Г. В. т. Є ще багато невирішених проблем, гл. обр. що відносяться до початкових стадіях розширення і до утворення небесних тіл. Проте, осн. положення теорії, описані вище, надійно встановлені і підтверджені спостереженнями.

Літ .: Зельдович Я. Б., Новіков І. Д., Будова і еволюція Всесвіту, M., 1975; Піблс П., Фізична космологія, пров. з англ., M., 1975; Вейнберг С., Гравітація і космологія, пров. з англ., M., 1975; його ж, За кордоном перших трьох хвилин, "УФН", 1981, т. 134, с. 333

І. Д. Новиков.

покажчик >>