Реакції між елементарними частинками в гарячому Всесвіту

Теорія гарячого Всесвіту дозволяє впоратися з однією з загадок, що залишилися “у спадок” від теорії зоряної еволюції. Як вже говорилося, існування майже всіх хімічних елементів у Всесвіті пояснюється термоядерними реакціями в надрах зірок і під час спалахів наднових. І тільки гелій, другий за поширеністю елемент після водню (приблизно 25% щільності звичайної речовини Всесвіту припадає на гелій, або 1/10 від числа атомів водню), не знаходить свого пояснення. Здавалося б, тут все просто: енергія зірок головної послідовності виникає при термоядерних реакціях перетворення водню в гелій. Однак оцінимо, скільки гелію могло виникнути в зірках за весь час еволюції Галактики. Світність Чумацького Шляху складає приблизно 1037 Дж / c, і якщо вона була постійною за час життя Галактики (приблизно 10 млрд. Років), то за весь цей час виділилося б всього 3 · 1054 Дж. Якщо вся енергія виділяється в результаті перетворення водню в гелій (найсприятливіший припущення), то, з урахуванням того, що при утворенні одного ядра гелію виділяється приблизно 2.5 · 10-12 Дж, могло б утворитися тільки 1040 кг гелію, що складає всього приблизно 1/40 частку маси Галактики (яка дорівнює 4 · 1041 кг), або 1/160 за числом атомів.

Насправді, теорія гарячого Всесвіту давно вже вирішила цю проблему. Справа в тому, що в ранньому Всесвіті також мали відбуватися термоядерні реакції (нуклеосинтез). Для них необхідно, щоб температура речовини була дуже великою, оскільки температура пропорційна кінетичної енергії частинок, а тільки частинки з дуже великою швидкістю руху можуть подолати кулонівське відштовхування між ядрами, що мають однаковий знак. З іншого боку, температура повинна бути не надто високою, оскільки в іншому випадку атомні ядра будуть розвалюватися при взаємних зіткненнях на свої складові частини – нейтрони і протони.

Розрахунки (перші з яких були виконані Гамовим, Альфером і Херманом) показали, що в ранньому Всесвіті термоядерні реакції були можливі, коли її температура була 109-1010 К, а вік 1-300 секунд. У ході цих реакцій у всьому просторі приблизно одна четверта частина маси баріонів речовини Всесвіту перейшла у форму гелію. У ході цих реакцій утворилося також невелика кількість дейтерію (важкого водню), гелію-3 (легкого ізотопу гелію, ядро ​​якого складається з двох протонів і одного нейтрона, у той час як у звичайного гелію ядро ​​складається з двох протонів і двох нейтронів) і літію -7. Більш важкі ядра утворитися не встигли.

Передбачене кількість гелію (близько 25% по масі) знаходиться в дуже хорошому злагоді із змістом цього елемента в зірках і міжзоряному середовищі. Поряд з відкриттям реліктового випромінювання цей факт є переконливим підтвердженням теорії гарячого Всесвіту.

Що стосується інших легких ядер космологічного походження, то їх вміст у сьогоднішньому Всесвіті відомо ще недостатньо добре, але, у всякому разі, наявні дані не суперечать цій теорії. Найбільш цікавий з цієї точки зору дейтерій. Справа в тому, що його кількість у Всесвіті дуже чутливо до щільності баріонів речовини – воно має бути тим менше, чим вище була концентрація протонів і нейтронів в первинній плазмі (рис. 5.4.1). Таким чином, дані про достаток дейтерію в зірках і міжзоряному середовищі можуть допомогти у встановленні важливого космологічного параметра – середньої щільності звичайної речовини у Всесвіті. Однак оскільки в надрах зірок дейтерій руйнується, треба знати кількість дейтерію в дуже ранню епоху, коли склад речовини ще не встиг змінитися через трудноучітиваемих впливу зоряної еволюції. А для цього необхідно досліджувати максимально далекі об’єкти Всесвіту – галактики з великими z і квазари. Найбільш надійні дані з цього питання отримали в 1998 році американські астрономи Берлс і Тайтлер при дослідженні спектрів квазарів за допомогою 10-метрового телескопа ім. Кека. За їх даними, щільність звичайної речовини становить (3.8 ± 0.4) · 10-31. Це в кілька разів перевершує щільність світиться матерії, тобто тієї речовини, яка входить до складу зірок. Ймовірно, невидимі баріони входять до складу міжгалактичного газу.

Рис. 5.4.1. Передбачене теорією Великого Вибуху велика кількість (частка маси всього звичайного, тобто баріонного речовини) дейтерію, гелію-3 і гелію-4 в залежності від повної щільності звичайної речовини у Всесвіті. Широка вертикальна смуга показує інтервал, в якому дані по всіх легких елементів узгоджуються між собою. Вузька смуга показує інтервал, в якому міститься щільність звичайної речовини за даними про зміст дейтерію. Зі статті Turner and Tyson, 1998.

Коли вік Всесвіту був менше секунди, в ній відбувалися різні реакції між частинками, античастинками і фотонами. При зіткненні частинки і античастинки відбувалася анігіляція: ці частинки взаємно знищуються, а вся їхня енергія переходить у спалах світла (випускання фотонів). З іншого боку, можливий і зворотний процес: фотон може мимоволі породити пару частинка – античастинка. У період, коли проходили ці реакції, речовина Всесвіту перебувало в стані теплової рівноваги, і процеси анігіляції і фотонародження пар в точності врівноважували один одного.

Зауважимо, що в даний час у Всесвіті майже не спостерігається антиречовини, тому і в ту далеку епоху число часток повинно було небагато перевершувати число античастинок (баріонна асиметрія Всесвіту). Надалі переважна кількість частинок і античастинок аннигилировали, породивши величезну кількість випромінювання, а невелика кількість компенсуються античастинок і є тим речовиною, з якої потім утворилися зірки, планети і, врешті-решт, люди.

Глибоку гіпотезу про походження баріонів асиметрії висловив в 1967 році Андрій Дмитрович Сахаров (1921-1989). На його думку, надлишок числа частинок у Всесвіті викликаний спільною дією наступних трьох факторів:

Незбереження баріонів заряду (проявом чого є можливість спонтанного розпаду протона, передбачена Сахаровим);

Відсутність симетрії у властивостях частинок і античастинок;

Різке порушення термодинамічної рівноваги в деякі моменти надранньої розширюється Всесвіту.

В даний час фізики-теоретики в основному згодні з гіпотезою Сахарова, хоча конкретний механізм виникнення баріонів асиметрії ще не відомий (точніше, є кілька різних сценаріїв її виникнення, які слідують з різних варіантів теорії Великого об’єднання сильних, слабких і електромагнітних взаємодій).

В кінці цього параграфа відзначимо, що в даний час учені будують теорії надранньої Всесвіту, вік якої не перевищував одну десятимільярдний частку секунди. Дуже популярна нині так звана теорія космічної інфляції, згідно з якою в перші миті після Великого Вибуху у Всесвіті по щільності і енергії домінувало особливе вакуумноподобное стан речовини (масивне скалярне поле), завдяки якому Всесвіт відчувала надшвидке роздування: за 10-35 секунд масштабний фактор збільшився щонайменше в 1070 разів! Власне кажучи, це і був Великий Вибух. Розробляється також теорія квантового народження Всесвіту з піни простору-часу … Але всі ці теорії поки знаходяться далеко за межами можливостей прямої експериментальної перевірки, і ми не будемо на них зупинятися.

Посилання на основну публікацію