Глава 15. Эволюционные процессы в мегамире и зарождение структур

15.1. СЦЕНАРИЙ СТАЦИОНАРНОЙ ВСЕЛЕННОЙ И «КОСМОЛОГИЯ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА»

Космология—наука о строении и эволюции Вселенной, она изучает свойства всей доступной для наблюдений Вселенной как целого. Создание крупных телескопов, развитие фотографической астрономии и всеволновой астрономии, спектроскопии и других методов позволили изучить распределение галактик в пространстве, их дви­жения на огромных расстояниях (до 10⁹ св. лет). Мы окружены огромным миром галактик и квазаров—понять это нельзя бьшо без теории.

Общая теория относительности (ОТО) — математи­ческая база современной космологии. Эйнштейн, обобщив закон тяготения Ньютона на случай сильных гравитаци­онных полей, изменила представления о пространстве и времени. Тяготеющие массы искривляют вокруг себя пространство-время, а оно воздействует на материю. Эйнштейн, объединив гравитацию и геометрию Римана, получил из средней плотности массы во Вселенной «абсо­лютные размеры Вселенной». Но достаточно ли ОТО для понимания явлений мегамира—ведь его масштабы превы­шают лабораторные условия на Земле в 10²⁶ раз?! Изучение ближайших к нам галактик показало, что они состоят из тех же объектов — звезд, звездных скоплений, туман­ностей. Наука не может обойтись без построения рабочих моделей, которые уточняются, заменяются частично или отбрасываются. Можно построить цепочку объектов мега­мира: видимая Вселенная — галактика — Галактика — звезда — планета. Общие закономерности развития Все­ленной строятся путем создания моделей,

Модель пустой Вселенной (1917 г.), в которой два объекта расположены на столь большом расстоянии, что можно пренебречь притяжением между ними, рассмотрел нидерландский астроном Биллем де Ситтер. Стационар­ность мира требовала, чтобы галактики удалялись друг от друга с ускорением. Фактически в его решении содер­жалось предсказание расширения Вселенной, но до откры­тия Хаббла это представлялась неким казусом. Величина, обратная постоянной Хаббла Я, имеет размерность вре­мени. Отсюда заключают, что за это время вещество галактик «разлетелось» из точки наблюдения, это время прошло с того момента, когда оно бьшо сконцентрировано в точке. Наблюдаемые скорости разлетадостигают 108 м/с,

поэтому в момент «начала» должен был произойти взрыв, породивший современную Вселенную. Поскольку тогда значение Ясчиталось равным 500 км/(с Мпк), то это время не превышало 2 млрд лет (меньше даже возраста Земли). Это породило разные гипотезы: расширение Вселенной, изменение скорости света, или «старение» фотона на огромных расстояниях. Пусть само значение Я не очень надежно, но линейный вид зависимости в законе Хаббла считается твердо установленным.

Взяв Я = 75 км/(с Мпк) и считая, что «сегодняшнее» время жизни Вселенной t₀ приблизительно равно R₀/V₀, подставим V_Q = Яд#₀ из закона Хаббла и получим t₀ = 13 млрд лет. Учитывая приближенность такой оценки, следует отметить, что величина этого времени, которое называют возрастом Вселенной, колеблется от 10 до 20 млрд лет.

Фридман детально исследовал уравнения ОТО и пока­зал, что теория Эйнштейна, как и теория Ньютона, допус­кает в качестве моделей и развивающиеся системы — коллапсирующие. Стабильная Вселенная Эйнштейна явля­ется нестабильной при малейшем возмущении. Фридман выделил три возможности, соответствующие трем моделям Вселенной: 1) k = 0; расширяющееся евклидово прост­ранство; 2) k > 0; пульсирующая модель, пространство неевклидово (сферический мир); 3) k < 0; монотонно расширяющееся неевклидово пространство (гиперболичес­кий мир).

В первом случае при Л = 0 уравнение, описывающее изменения масштабного фактора со временем имеет точное решение (модель Эйнштейна-де Ситтера). Начавшееся расширение продолжается неограниченно, и Я = 2/3t, a возраст Вселенной равен t_Q = 2/ЗЯ. Параметр ускорения не меняется и положителен, потому что масштабный фактор растет со временем: R = R₀exp(A/3ct). В этой стационарной Вселенной (модель Ф.Хойла) плотность, несмотря на расширение, поддерживается постоянной за счет непре­рывного «творения» вещества из особого «энергетического поля».

Во втором случае при Л < 0, т.е. при наличии допол­нительной силы притяжения, кроме всемирного тяготения, и открытом искривленном пространстве в пульсирующей Вселенной, в некоторый момент масштабный фактор

151

становится равным нулю, и с t = 0 он начнет возрастать, достигнет максимума и снова уменьшится до нуля. Если выбрана закрытая модель пространства и Л-член равен некоторой критической величине, определяемой плот­ностью вещества во Вселенной, то масштабный фактор растет от нуля до определенного максимума, достигаемого в далеком будущем. Если космологическая постоянная становится больше этого критического значения, то масш­табный фактор растет, хотя и медленно, но неограниченно. В замкнутой Вселенной и при равенстве космологического члена своему критическому значению возможны дварешения: стационарный мир Эйнштейна R(t) = const и модель Эддингтона-Леметра, в которой R(t) = R_x в беско­нечно удаленном прошлом и неограниченно растет в будущем.

Выбор модели Вселенной определяется средней плот­ностью вещества во Вселенной. Если она больше крити­ческой, то k > О, и мир замкнут. Для Я = 50 км/(с Мпк) критическое значение плотности равно 5 • 10~²⁷ кг/м³. Это несколько больше средней плотности, размазанной по всему наблюдаемому объему (в пределах одного-двух порядков величины). Но мощный фон рентгеновского излучения свидетельствует, что межгалактическое прост­ранство может быть заполнено водородом с Т = 10⁶ К. Возможно, существуют и еще какие-то массы во Вселенной, пока не обнаруженные.

Массы звездных скоплений оказались, по оценкам, несколько больше масс, наблюдаемых в скоплениях объек­тов, и возникла проблема скрытой массы. По опытным данным, на каждый протон приходится примерно 10⁹ нейт­рино, обладающих массой покоя 5 ■ 10"~³⁵ кг (1980 г.). И это обилие нейтрино во Вселенной тоже приближает значение средней плотности к критическому значению. Поэтому осциллирующая модель может стать более вероятной, хотя она не сводится к простому повторению циклов «рас­ширение — сжатие», как указывают Зельдович и Новиков.

Бельгийский аббат и ученый ЖЛеметр связал реляти­вистские модели с данными наблюдений: поскольку «разбе-гание» галактик соответствует расширению пространства, то при проектировании на прошлое должно быть умень­шение объема и увеличение плотности. Эти рассуждения связали с актом творения мира. Первоначальная плотность вещества, протоатома, достигала 10⁹⁶ кг/м³, и это значение плотности определило границы применимости понятий пространства и времени. Поэтому не имеет смысла гово­рить ни о том, сколько длилась эта сингулярность, ни о том, что было до нее.

Расчеты Фридмана были многократно проверены и Эйнштейном, и Эддингтоном, и де Ситтером. Позже Эйнш­тейн, подчеркивая приоритет Фридмана, отметил: «Первым на этот путь вступил Фридман». О Фридмане справедливо говорят, что он «на кончике пера» открыл разбегание галактик. Открытие гравитационного красного смещения через несколько лет подтвердило догадки о нестацио­нарном развитии, о расширении Вселенной. Вскоре теоре­тически было показано, что своеобразие релятивистской космологии вовсе не связано с теорией Эйнштейна, а обусловлено космологической постановкой проблемы. Из динамики Ньютона возможно получить необходимость

эволюции, как это и сделал в 1934 г. английский астрофизик Э.Милн.

Расширение Вселенной проявляется на уровне галак­тик, и не существует центра, от которого галактики «разбе­гаются». В общем случае постоянная Хаббла Я зависит от времени, и скорость расширения убывает из-за тормозящего действия гравитации. Если допустить расширение Мета­галактики и в прошлом, можно оценить ее возраст при­мерно в 13 млрд лет. Будущее Вселенной, по современным представлениям, зависит от средней плотности р.

Скорость расширения dR/dt =(8xpG #73 - k + AR²/3)^1/2 по ОТО для горячей модели. Здесь Л — космологическая постоянная, учитывающая возможное существование в мире дополнительной силы, помимо силы тяготения, при Л > 0, это сила отталкивания, при Л < 0 — сила притяжения.

Расчеты предшествующей истории Космоса в боль­шинстве моделей дают для начала расширения прост­ранства (13-20 млрд лет назад) состояние с исключительно высокими плотностью материи и энергией излучения, В уравнениях появляется математическая сингулярность, и ни одна из моделей не продвигается ранее этого момента. Так как при сжатии газа его температура возрастает, можно допустить, что в далеком прошлом Вселенная была очень горячей. Именно к такой модели «горячей Вселенной» пришел Гамов, назвав ее «Космологией Большого Взрыва». Его интересовала относительная распространенность и происхождение химических элементов во Вселенной, Чандрасекар, Бете, Вейцзеккер и другие ученые считали, что в глубинах Солнца не могут образовываться элементы тяжелее гелия.

Гамов предположил, что в самом Начале при больших плотностях и температурах ранней Вселенной возможно протекание реакций синтеза элементов. По законам термо­динамики при этих условиях в разогретом веществе всегда должно находиться в равновесии с ним и излучение. После нуклеосинтеза, занимающего несколько минут, излучение должно остаться, продолжить движение вместе с вещест­вом в расширяющейся Вселенной и сохраниться до нашего времени, только его температура должна понизиться за это время из-за расширения. Эту схему необходимо было рассчитать и сравнить с ней распространенность элементов в современной Вселенной. Эта работа заняла 10 лет. Гамов консультировался с Э.Ферми и АТуркевичем, но в 1948г., когда вместе с Альфером была подготовлена его статья, он вписал в последний момент и Бете. Так появилась знат нитая А-Б-Г-теория. Впоследствии она совершенство­валась в работах Гамова с СХаяши, Хойлом, Фаулером, М.Бербиджем, ДжБербиджем. Этим же занимался и Зель­дович, а позже и ДжЛиблс, используя уточненные данные ядерной физики и астрономических наблюдений.

Теория горячей Вселенной дала необходимые соотно­ шения водорода и гелия в современной Вселенной из ядерных реакций в горячей ранней Вселенной. Тяжелые; элементы должны были рождаться иначе, возможно, приI вспышках сверхновых звезд. Предсказанное Гамовын £ фоновое излучение должно быть изотропным и имен j температуру, близкую к абсолютному нулю, до 10 К, если процесс нуклеосинтеза начинался с 109 К

152

Существование фонового излучения было пред­сказано Гамовым в 1953 г. Он получил простое соотношение между плотностями вещества и излучения по мере расши­рения. Плотность излучения уменьшается со временем быстрее, чем плотность вещества, но в прошлом их отно­шение когда-то было равно единице, а еще раньше излу­чение по плотности преобладало над веществом. По этой причине излучению должна принадлежать ведущая роль в эволюции Вселенной. Фридман получил формулу изме­нения во времени плотности излучения, если оно преоб­ладает во Вселенной над веществом, а Вселенная расши­ряется по параболическому типу, т.е. неограниченно. Эту формулу Фридмана и использовал Гамов. Он нашел границу мещу двумя эпохами — преобладания излучения и преоб­ладания вещества, и эта граница приходится на время / = 2,1 • 10¹⁵ = 73 млн лет. В начальный период именно излучение определяло судьбу Вселенной, а после преоб­ладало вещество. В тот момент их плотности были равны 9,4 • 1(г²³ кг/м₃, а температура излучения составляла 320 К, отсюда можно найти и ее современное значение: Г= 320(2,2 ■ 10¹⁵/0 А'= (7 ■ 10¹⁶/0 К. Полученная формула дает температуру излучения в эпоху преобладания вещества над излучением (7 К). Для излучения черного тела такая температура соответствует сантиметровому диапазону. Гамов не надеялся зарегист­рировать это фоновое излучение в общем потоке радио­излучения галактик и межзвездного газа, но Новиков и Дорошкевич считали, что излучение, оставшееся от начала расширения Вселенной, можно обнаружить в сантимет­ровом диапазоне.

Открытие реликтового излучения произошло весной того же года. Американские ученые АЛ ензиас и Р.Вильсон (лауреаты Нобелевской премии 1978 г.), отлаживая рупор­ную антенну нового радиотелескопа, не могли избавиться от помех на длине волны 7,35 см. Уровень этих помех не менялся при повороте антенны, т.е. был изотропен. В1965 г.

выяснилось, что это было фоновое излучение, предска­занное Гамовым. Оно соответствовало расчетам Новикова и Дорошкевича, было «чернотельным» при Т = 2,7 К. По своей плотности это излучение почти в 30 раз превосхо­дило излучение звезд, а концентрация фотонов бьша боль­ше, чем концентрация обычного вещества.

Плотность реликтового излучения можно оценить. При Т = 3 К энергия 1 фотона — около Ю^-8 Дж, и для 500 фотонов в 1 см³ — Е = 50 Дж/м³. По формуле Е = рс² находим /?=5- 10~³¹кг/м³. Сейчас для веществар = 5- 10~²⁸ кг/м³, т.е. по массе вещество больше в 1000 раз.

Две космологические теории конкурировали —теория расширяющейся Вселенной (начальное состояние, из которого возникла Вселенная, было таким горячим и плотным, что могли существовать только элементарные частицы и излучение; затем Вселенная расширялась и охлаждалась, образуя звезды и галактики) и теория ста­ционарной Вселенной (Вселенная существовала всегда, наблюдаемое разрежение вещества компенсируется его непрерывным творением). Теория расширяющейся Все­ленной одержала верх благодаря предсказанию, наблю­дению и интерпретации космического фонового (релик­тового) излучения. Оно не предсказывается и не может быть объяснено второй теорией.

Автор теории вечной стационарной Вселенной—Хойл вынужден был признать, что придется модернизировать теорию для объяснения реликтового излучения. В 1992 г. измерения ничтожно малых вариаций фонового излучения подтвердили еще одно из предсказаний теории расши­ряющейся Вселенной. Исследователи интерпретируют эту «рябь» как флуктуации плотности вещества и энергии на ранних стадиях эволюции Вселенной. Такая рябь может объяснить скучивание вещества под влиянием собственной гравитации, которое ведет к образованию звезд, галактик и более крупных структур, наблюдаемых в современной Вселенной. Космология Большого Взрыва Г.Гамова заняла прочное место в современной науке.

15.2. РОЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ ПО СОВРЕМЕННОЙ МОДЕЛИ РАЗВИТИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Однородное микроволновое излучение, оставшееся от ранних стадий развития Вселенной, пронизывает простран­ство, что подтверждают и точные исследования, прове­денные со спутников. Для понимания явлений космологи привлекают идеи, опирающиеся на физику элементарных частиц. Физика элементарных частиц и ядерная физика сыграли большую роль при создании теорий и расши­ряющейся, и стационарной Вселенной. Особенно живитель­ным для них оказался вклад Эйнштейна и Планка, которые в начале века сформулировали физику абсолютно черного излучения: поскольку на ранней стадии расширения должно быть равновесие между энергией и веществом, то энергия, выделившаяся при взрыве, должна иметь-спектр черного излучения.

Теория синтеза химических элементов в звездахбьша необходима. К началу 30-х годов уже бьшо известно, что большинство звезд состоят из водорода и гелия, но было неясно, откуда берется углерод. В 50-е годы Хойл предло­жил реакцию образования углерода из трех ядер гелия в специфических условиях центра звезды. Возможность

такой реакции подтвердил американский физик У.Фаулер на ускорителе высоких энергий, а Хойл и Солпитер подвели под эти эксперименты теоретические обоснования. К1957 г. Фаулер, Хойл, Маргарет и Джеффри Бербидж разработали теорию синтеза большинства химических элементов в звездных недрах из водорода и гелия. Внутри звездных печей легкие элементы «сплавились» в тяжелые ядра, которые рассеялись в пространстве в результате взрыва сверхновых или смерти красных гигантов (каким через 5 млрд лет станет наше Солнце). Затем цикл повторится с образованием звезд следующего поколения.

Однако их теория не могла объяснить существование трех легких элементов — лития, бериллия и бора. Из-за своей неустойчивой природы эти элементы должны образо­вываться в газе низкой плотности и низких температур, и, первоначально присутствуя в молодых звездах, должны были распадаться при сжатии и нагревании звезды. Это оставалось загадкой. Хотя содержание каждого из них составляет менее Ю^-9 от количества водорода, уникальное происхождение этих элементов делает их «коммента-

153

торами» истории Вселенной. Подобные варианты схем рождения элементов создавались в нескольких местах, но они не были привязаны к существующим во Вселенной количественным соотношениям элементов.

Первичное вещество, из которого родилась Вселенная, Алфер и Герман назвали библейским словом ияем (греч. укт «первичная материя»). Эта первичная субстанция представляла собой нейтронный газ. Они считали, что в «первичном аду» родились тяжелые ядра путем присое­динения свободных нейтронов, и этот процесс продолжался, пока запас свободных нейтронов не истощился. Алфер и Герман не могли объяснить образование элементов тяжелее гелия, поскольку нет стабильных изотопов с массовым числом 5 и 8, значит, нельзя получать тяжелые элементы последовательным добавлением нейтронов. После этого интерес к А-БТ-теории заметно остыл, и за десять лет (1953-1963) значительных исследований не было. Хойл назвал в шутку эту гипотезу «the big bang theory» — теорией громкого хлопка. Это понравилось конкурентам Хойла, а в России его перевели как«теория Большого Взрыва» (рис.23).

Простой расчет опубликовали еще до открытия релик­тового излучения Хойл и Р.Тейлор (1964 г.). Светимость нашей Галактики оценивают числом 10⁴⁷ Вт. Если возраст Галактики 10¹⁰ лет, то при постоянной светимости она выделила за это время 2 ■ 10⁵'¹ Дж. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия 2,5 • 10~¹⁹ Дж. Следовательно, за время существования Галактики в ней образовалось 10⁶⁶ альфа-частиц. При массе частицы 6,67 • 10~²⁷ кг это состав­ляет 7 • 10³⁹ кг, а масса Галактики — 4 • 10⁴¹ кг. Поэтому к нашему времени отношение гелия к водороду Не/Н могло бы быть 7/400, или 1/57 — по массе, или 1/230 — по числу атомов. Это меньше наблюдаемого соотношения в 20 раз, так как из анализа состава звездных атмосфер, косми­ческих лучей получается Не/Н порядка 1/11. Уже из таких простых оценок понятно, как получать согласие модели с данными соотношениями.

Плотность материи во Вселенной р практически совпа­дает с плотностью реликтового излучения. Она выражена через энергию р=Е/с², т.е. и температуру Е = аТ⁴. С другой стороны,р = М/(4/3)я#³,R = (9GMf²/2)^1/3 ир = (5 • 10⁸/£²) кг/м³. Отсюда ясна связь температуры Т и времени, прошедшего от начала расширения: Т- 10¹⁰Д^1/2.

Сначала (при t < 0,01 с) температура очень высока, и вещество состоит из нейтронов и протонов в равных пропорциях. Благодаря присутствию электронов, позит­ронов, нейтрино и антинейтрино происходит непрерывное превращение п + е⁺ о р + v^- и обратно, р + е~ о п + v. При охлаждении за первые 10 с число протонов увеличится за счет нейтронов, и начнется образование дейтерия, трития, изотопа гелия Не-3 и Не-4. Через 100 с от начала расширения заканчиваются все ядерные превращения: водорода полу­чается 0,9, гелия — 0,09, остальное приходится на более тяжелые элементы. По весу водород составляет около 0,7, гелий — 0,3. Это и есть химический состав Вселенной к началу формирования звезд и галактик.

Для наглядности эту стадию делят на четыре «эры».Лпя каждой из них можно выделить преобладающую форму существования материи, в соответствии с чем и даны названия.

Эра адронов — в самом начале, продолжается 0,0001 с. Плотность d > 10^м, Т > 10¹² К, t < 0,0001 с. При высоких температурах могли существовать частицы только больших масс, для которых существенно и гравитационное взаимо­действие. Элементарные частицы разделяют на адроны и лептоны, причем первые могут участвовать в сильных и быстрых взаимодействиях, а вторые — в более слабых и медленных, поэтому первые эры получили такие названия. Адронная эра — эра тяжелых частиц и мезонов, велика энергия гамма-квантов. Основную роль играет излучение, количества вещества и антивещества могут быть примерно равными. В конце адронной эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов. Из равновесия с излучением вышли последо­вательно гипероны, нуклоны, К- и ячмезоны и их анти­частицы.

Эра лептонов продолжается 0,0001 < t < 10 с, при этом 10^ю К< Т< 10¹² К; 10⁷ < d < 10¹⁷ кг/м³. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами. Постепенно из равновесия с излучением вышли мю-мезоны и их античастицы, элект­ронные и мезонные нейтрино, а избыточные мюоны рас­пались на электроны, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино. В конце эры лептонов происходит аннигиляция электронов и позитронов. Спустя 0,2 с Вселенная стано­вится прозрачной для электронных нейтрино, и они пере­стают взаимодействовать с веществом. Согласно теории, эти реликтовые нейтрино сохранились до нашего времени, но температура их Г до 2 К, поэтому пока их не могут обнаружить.

Фотонная эра приходит позже и продолжается 1 млн лет. Основная доля массы-энергии Вселенной приходится на фотоны, которые еще взаимодействуют с веществом. В первые 5 мин. эры происходили события, во многом определившие устройство нашего мира. В конце лептонной эры происходили взаимные превращения протонов и нейт­ронов друг в друга. К началу эры фотонов количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказывались энергетически более выгодными и, значит, более вероятными. Это определило скорости реакций, и к началу эры число нейтронов остановилось на 15%.

Эра излучения вначале характеризуется параметрами: 3000 К < Т < 10¹⁰ К; 10^-18 < d < 10⁷ кг/м³, нейтроны захваты­ваются протонами, и происходит образование ядер гелия, Кроме того, за эти первые минуты некоторое количество нейтронов пошло на образование ядер бериллия и лития, а некоторое количество распалось. В результате доля гелия в веществе могла составить 1/3. В конце эры температура снизилась до 3000 К, плотность уменьшилась на 5-6 поряд­ков, в результате чего создались условия для образования первичных атомов. Излучение отделилось от вещества, Вселенная стала прозрачной для вещества, и пришла новая эра — эра вещества. Излучение играет главную роль, образуется гелий. В конце эры главную роль в образовании вещества Вселенной начинает играть вещество (масса Вселенной).

154

В звездную эру, наступившую приt = 1 млн лет,Г; 3000 К, а плотность d~ 10'¹⁸ кг/м³, начинается сложный процесс образования протозвезд и протогалактик.

Эта грандиозная картина процессов, схематично описанная здесь, разрабатывалась детально, особенную проработку получили самые первые доли секунды. Воз­можности исследования деталей процессов резко возросли

с появлением быстродействующих ЭВМ с большими объе­мами памяти.'Безусловно, эта картина повлияла на наше мироощущение и продолжает уточняться. Модель «горя­чего» начала объясняла происхождение химических эле­ментов, их количественные соотношения сейчас, но обра­зование крупномасштабных скучиваний в пространстве или существование квазаров она не объясняла.

15.3. МОДЕЛЬ ИНФЛЯЦИОННОЙ ВСЕЛЕННОЙ. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ВО ВСЕЛЕННОЙ КРУПНОМАСШТАБНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ

Крупномасштабное скучивание галактик или су­ществование самих квазаров не объясняла теория горячей Вселенной, успешно описывая многие явления во Вселенной. ЕщеХаббл, изучая в 20-30-е годы распределение галактик с помощью мощнейшего тогда 100-дюймового телескопа, выявил тенденцию образования групп галактик. Было естественно предположить, что галактики, как и звезды, образуют иерархические структуры.

Пример: наша Галактика со спутниками Магеллано­выми Облаками — Местная группа галактик (они + Туман­ность Андромеды + небольшие галактики) — Метагалак­тика (наблюдаемая Вселенная). Он отметил, что, если взять распределение ярких галактик, то оно неоднородно в очень больших угловьгх масштабах. Но при усреднении по облас­тям определенных размеров распределение однородно. Так, вблизи галактических полюсов оно практически однородно. В пределах 10-40° вообще не наблюдается ни одной галак­тики. Хаббл объяснил это поглощением межзвездного газа, сосредоточенным вдоль плоскости Галактики. Космичес­кое фоновое излучение—не единственный ключ к разгадке ранней истории Вселенной. Но почему вещество сосредо­точено неравномерно, в отдельных объектах, а не заполняет равномерно все пространство? Ведь в крупных масштабах усреднения она однородна. Здесь теории для самого боль­шого и для самого малого вновь идут вместе. В теории физики элементарных частиц главный процесс — нару­шение симметрии. Во Вселенной нарушение симметрии ведет к образованию космических неоднородностей.

Текстуры — это зародыши агрегатов вещества, неодно­родности, появившиеся вскоре после образования Все­ленной. Текстуры могли превращаться в ходе эволюции в галактики и их скопления. Они создают вариации плот­ности, и в этих областях гравитация более эффективно тормозит общее расширение. Если гравитация начнет преобладать над расширением, область начнет сжиматься, увеличивая флуктуации плотности. Ньютон был уверен, что самогравитирующие облака могут возникать самопроиз­вольно в равномерно распределенном веществе. Но в однородной космической среде сгустки образуются не так, как кристаллы в переохлажденной жидкости. Космологи считают, что флуктуации плотности в первоначальном огненном шаре, выросшие до современных структур, не могли образоваться самопроизвольно. Поэтому они должны быть с самого начала.

Вселенная очень неоднородна, что показывают обзоры крупномасштабного распределения галактик. Но она одно­родна в больших масштабах (больших сотен Мпк). Этот вывод получен из фонового излучения, содержащего инфор­мацию о свойствах Вселенной, очень далеко разнесенных

в пространстве. Эти свойства оказываются совершенно одинаковыми, хотя эти точки могут идти от самого гори­зонта, сейчас — с расстояния в 26 млрд св. лет (так как расстояние до горизонта 13 млрд св. лет). Галактики имеют тенденцию к скучиванию, образуя струи и сгущения, которые окружают пустоты — войди. При этом можно ожидать, что видимое распределение окажется отличным от истинного распределения материи. Поэтому говорят, что вещество во Вселенной существует в форме светящихся звезд, газовых облаков и темного вещества. Об этом свидетельствуют и наблюдения орбитальных движений звезд и газа, а масса темного вещества в виде гало сос­тавляет до 10 масс видимого объекта. Это невидимое вещество можно оценить и по гравитационному воздейст­вию. Природа темного вещества пока не выяснена, некото­рые считают его холодным, но оно может скучиваться под влиянием гравитации с образованием объектов от галактик до сверхскоплений.

Но почему Вселенная однородна в одних масштабах и неоднородна в других, что же послужило началом расши­рения пространства Вселенной? В начальный момент в точке было огромное давление и температура. Давление нагретых газов вызывает интенсивное расширение — взрыв. Если взрыв происходит в воздухе, имеет место перепад давлений между горячим газом и воздухом, выз­ванный неоднородностью плотности расширяющегося газа. Но вещество Вселенной однородно, поэтому перепада давлений, подталкивающего к разлету, нет. Огромное давление в самом начале не может служить толчком к быстрому разлету. И наоборот, большое давление ведет, согласно ОТО, к дополнительному тяготению, т.е. даже замедляет расширение.

Эйнштейн ввел силы гравитационного отталкивания, описываемые фактором Л. Модель пустой Вселенной де Ситтера допускает, что космологическая постояннаявызывает ускоренный разлет частиц вещества. Оценки показывают, что в самом начале расширения плотность вещества во Вселенной была близка к критической. При­чину этого назвали «проблемой критической плотности». В теории элементарных частиц получено, что при сверх­больших энергиях возможно существование монополей, струн, стенок. Этих образований во Вселенной сейчас нет—«загадка монополей». Монополи—эти своеобразные частицы, которые в 10¹⁶раз массивнее протонов, возникали в эпоху Великого объединения, но в процессе дальнейшей эволюции Вселенной они частично аннигилировали, но должны еще быть. Может, они входят в «скрытую массу» Вселенной, ведь ее плотность в 30 раз превосходит плот­ность обычной материи. Современная теория вакуума

155

признает существование разных вакуумов, зависящих от способа его получения. Вообще, вакуум — это состояние с минимальным значением энергии, ниже которого по энер­гиям уже нельзя опуститься. Если даже удалить все частицы и поля, остается состояние «кипения пустоты». Оказыва­ется, вакуум в некоторых случаях может обладать поло­жительной плотностью энергии, плотностью массы и отрицательным давлением (натяжением). Эти особыесвойства вакуума и приводят к увеличению космологи­ческой постоянной, которая меняет ситуацию, вызывая гравитационное отталкивание.

Раздувание очень ранней Вселенной было сильным и очень кратковременным, по теории АГута и П.Сейнхардта. Поэтому нас будет интересовать состояние вакуума, полу­ченного при резком охлаждении Вселенной. Раздувание должно происходить по экспоненте, если силы вакуума становятся превалирующими во Вселенной.

Силы «антигравитации» становятся больше грави­тационных, и это служит первотолчком к расширению с ускорением. В 70-е годы советские физики ДАКиржниц и АЛинде показали, что такие условия могут возникать во Вселенной при больших давлениях и резком снижении температуры от очень больших ее значений, превышающих температуру эпохи Великого объединения. Эффекты кван­товой гравитации, по теории Линде, приводят к воз­можности вакуумноподобных состояний, когда существует гравитационное отталкивание. Такие состояния, согласно теориям сверхплотной материи, могут возникать по не­скольким причинам. Плотности эти гигантские, соответст­вуют энергиям (почти планковским): 10¹⁹ ГэВ = 10³² К. Такую энергию частицы имели в момент, называемый планковским, порядка 3 ■ 10~⁴⁴ с. Можно вычислить, что в этот момент плотность материи _/о=10⁹⁷ кг/м³, которая тоже носит название планковской. Таким образом в этот момент при условиях, близких к планковским, существовало ваку-умноподобное состояние, приведшее к инфляционному раздуванию. Все локальные скучивания в течение фазы раздувания, или инфляции, сально расширились, микро­скопические квантовые флуктуации превратились в макро­скопические вариации плотности, из которой в будущем образовались структуры. Теория фазы инфляции основана на законах квантовой механики, но квантовые флуктуации настолько велики, что приходится подгонять ряд пара­метров модели.

Модель раздувающейся, или инфляционной, Вселен­ной точно совпадает с описанием наблюдаемого мира, начиная с ДО^-30 с после начала расширения. В раздувающейся Вселенной сначала была фаза инфляции (раздувания), когда диаметр Вселенной очень быстро увеличился — в 10⁵⁰ раз больше, чем по модели Большого Взрыва. Последствия этого раздувания приводят к выводу, что наблюдаемая нами Вселенная — часть всей Вселенной. Модель полагает, что Начало было 10-15 млрд лет назад из сингулярного (сверх­горячего и сверхплотного) состояния, расширение прост­ранства продолжается. Эти модели объяснили и реликтовое излучение, и красное смещение в спектрах далеких галак­тик, и первоначальное содержание легких элементов.Используя данные о мире элементарных частиц, космологи теперь пытаются подобраться почти к самому Началу, к

156

моменту в 10"⁴⁵ с после начала расширения. Приходится что- то предполагать о таком экзотическом состоянии, напри­мер, существование большого числа магнитных монополей (рис.24).

Модель инфляционной Вселенной позволяет уменьшить число таких «экзотических» частиц. Считается, что вуказанные времена законы физики не менялись, состояние описывалось квантовой гравитацией. Вещество было равновесно и однородно. Это был горячий газ элемен­тарных частиц, заполняющий все пространство и расши­ряющийся вместе с ним. Этот газ отличается от идеального. В 1970 г. расчет Хайвели показал, что водород был вметаллической фазе, т.е. его кристаллизация привела к возникновению не только упорядоченной решетки, но и металла, свойства которого похожи на свойства метал­лического натрия. Открытие магнитного поля Юпитера навело в то время на мысль об ядре этой планеты изметаллического водорода. В таком состоянии водород мог раскалываться на фрагменты. Возможно, что после фазо­вого перехода могли появиться молекулярные кристаллы. Подобные фрагменты с молекулярно-кристаллической структурой соответствуют по массе наиболее крупным ; спутникам Юпитера и Сатурна, а фрагменты, состоящие из металлического водорода, превосходят по массе Землю и на 1-2 порядка менее массивны, чем планеты-гиганты, Но изменения состояния вещества и излучения были много медленней, чем в исследуемые времена. Эта модель объяс­няет упомянутые события через 1 с после начала, позволяя предсказывать и другие явления, которые можно проверить.

Изотропность реликтового излучения или одно­родность наблюдаемой Вселенной в больших масштабах с трудом объясняет модель Большого Взрыва. Из-за конеч­ности скорости света всегда существует горизонт -максимальное расстояние, на которое сигнал успел рас­пространиться со времени начала расширения Вселенной. Расстояние между источниками реликтового излучения, находящимися в противоположных направлениях на небес­ной сфере, в 90 раз превышало расстояние до горизонта в момент излучения.

Спектр начальных неоднородностей задают для объяснения неоднородностей в малых масштабах. Это предположение введено для объяснения скучивания ве­щества в галактики, скопления галактик, сверхскошгения скоплений и т.д. Еще одно слабое место теории, как указывалось выше, — это плотность энергии во Вселенной. По ОТО, тип кривизны пространства определяется плотностью энергии: если она больше критической, опре­деляемой темпом расширения, то пространство замкнуто, если меньше — незамкнуто, если равна — пространство плоское. Последний случай соответствует неустойчивом] состоянию, которое никогда не меняется в идеальных условиях. Если вначале она была хоть немного отличной от критической, то это отклонение быстро росло бы со временем. По современным данным, значение отношения плотностей энергии, или параметра плотности, как говорят космологи, равно от 0,1 до 2. Чтобы попасть в этот диапазон значений параметра, вначале должно быть отличие от 1 с точностью до Ю^-15 с. Эти приближения закладывают в начальные условия стандартной модели Большого Взрыва,

Электромагнитные силы, порождаемые плазмой, ; йот более существенную роль в формировании Все­янной, чем гравитация, считает шведский астрофизик, иреат Нобелевской премии за 1970 г., Х.Альфен. Меж-яездное пространство заполнено длинными «нитями» и датами структурами, состоящими из плазмы. Силы, кото-ртаонуждают плазму образовывать такие фигуры, застав­шее образовывать также и галактики, звезды и звездные «темы. Он считает, что Вселенная расширяется под пишем энергии, которая выделяется при аннигиляции истиц и античастиц, но это расширение происходит не­сколько медленней. Некоторые идеи Апьфена, родившиеся «экспериментов с мощными плазменными генераторами, подтвердились опытами на космических аппаратах в солнечной системе.

Космологические модели, основанные на идеях Альфена и данных о плазме, разрабатывает на супер­компьютерах в Лос-Аламосе группа сотрудников под руко-водством Э.Ператта. Один из расчетов показал, как ните-видные структуры из плазмы могут дать равномерный микроволновый фон, открытие которого подтвердило модель Большого Взрыва. Есть расчеты, показывающие, как электромагнитные силы могут участвовать вместе с грави­тацией в образовании галактик из облаков плазмы. При этом получаются все известные формы галактик без дополнительных предположений о существовании темного вещества, которое вводят в других моделях эволюции Вселенной.

Иначе истолковывает красное смещение и закон Хаббла американский астроном Х.Арп. Он называет соотношение Хаббла «единственным шатким предположением, лежащим «основе современной астрономии и космологии». Арп сообщает, что он наблюдал много объектов, которые не следуют закону Хаббла. Он считает, что квазары, облада­ющие наибольшим красным смещением, на самом деле находятся не на краю Вселенной, как следует из закона Хаббла, а не далее, чем все галактики, хотя их красное смещение много меньше. Ему даже кажется, что квазары могут быть «ответвлениями» галактик. Известна и гипотеза Дирака о старении фотона (еще с 30-х годов).

Идеи Великого объединения взаимодействий на основе симметрии, которая спонтанно может нарушаться, развивает современная теория элементарных частиц.В равновесном состоянии этих нарушений симметрии нет. Но при температурах порядка 10²⁷ К возможны фазовые переходы среди барионов (протонов и нейтронов). Закон сохранения барионного числа исходит из стабильности протонов, поскольку время его жизни порядка 10³¹ лет, что известно из опытов. Из теорий Великого объединения известно, что барионное чисто сохраняется не точно. При высоких температурах закон нарушается, и этим объяс­няется зарядовая асимметрия нашей Вселенной. Наблю­даемый избыток вещества над антивеществом объясняется взаимодействием элементарных частиц при температурах чуть ниже критической температуры фазового перехода. При кристаллизации жидкости различные области —домены — могут кристаллизоваться с разным направ­лением осей. Домены растут, приходят в соприкосновение друг с другом, при этом энергетически выгодно совпадение осей на границах соприкосновения. Но это получается не всегда, и остаются «локальные дефекты». Точечным дефек­там соответствуют магнитные монополи, а поверхност­ные — стенкам доменов.

Модель инфляционной Вселенной Алана Гута (1980 г.), детально анализирующая нарушение симметрии при фазо­вых переходах в столь необычных условиях, сумела умень­шить некий произвол с монополями. Андрей Линде из ФИАН им.Лебедева исправил некоторые допущения мо­дели, сохранив ее достоинства. Впервые была сделана попытка разрешить одну из основных проблем мирозда­ния —возникновение всего из ничего. Энергию Вселенной, которая сохраняется, разделили на гравитационную и негравитационную части, которые имеют разные знаки, и тогда полная энергия Вселенной равна нулю. Если предска­зываемое теориями Великого объединения несохранение барионного числа подтвердится, то тогда ни один из законов сохранения не будет препятствовать рождению Вселенной из ничего. Пока же эти модели дают только возможный механизм, который можно на основе фантазии и знаний рассчитывать на ЭВМ.