Большой Взрыв

Наблюдения, лежащие в обосновании теории Большого Взрыва.

1.Расширение Вселенной. Определив лучевые скорости галактик по наблюдаемому доплеровскому смещению спектральных линий, Хаббл в 1929 г. установил, что вплоть до

расстояния 6 млн. световых лет галактики удаляются со скоростями v, пропорциональными расстоянию R до них.

R.

Коэффициент H называется постоянной Хаббла.

H=71с×МПарсеккм

2.Реликтовое излучение. В 1964 г. Р. Пензиас и А. Вильсон, измеряя угловое радиоизлучение нашей Галактики, обнаружили излучение, интенсивность и спектр которого соответствовали излучению абсолютно черного тела с температурой ~3 K. Это излучение, названное реликтовым излучением, осталось от первоначально горячей Вселенной.

Плотность реликтового излучения составляет 550 млн. фотонов в 1 м3.

3.Распространенность химических элементов. Вселенная на

90% (по числу ядер) состоит из водорода. Около 9% составляет 4He. Все остальные элементы в сумме составляют 1%. Соотношение между содержанием водорода и гелия сильно зависит от температуры Вселенной и от плотности фотонов, так как фотоны с энергией несколько МэВ, сталкиваясь с ядрами, разваливают их на протоны и нейтроны. Объяснение синтеза гелия в первоначально горячей Вселенной позволило предсказать необходимость существования реликтового излучения. Соотношение между содержанием водорода и гелия позволяет определить

температуру Вселенной, при которой эффективно происходил дозвездный нуклеосинтез. Эта температура составляла ~109 K

Первые секунды жизни Вселенной

Планковский момент tп ~ 10-43 с.

Вплоть до этого момента все четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное) объединены в единое универсальное суперсимметричное взаимодействие. Планковский момент является комбинацией трех фундаментальных констант — G (гравитационная постоянная), (постоянная Планка) и c (скорость света):

tп = (G / c5 )1/ 2 ≈10−43 c .

Планковскому моменту соответствует планковский масштаб расстояний (планковская длина)

Lп = (G / c3 )1/ 2 ≈10−33 cм,

планковская энергия

Eп =(c5 /G)1/ 2 ≈1019 ГэВ

и температура Tп ≈ 1032 K.

При t < tп условия настолько необычны, что к ним не применимы привычные представления о пространстве и времени. Единое непрерывное пространство-время распадается на кванты. В пределах планковских масштабов возникают своеобразные флуктуации пространства и времени — квантовый хаос. После планковского момента (t > tп) единое суперсимметричное поле распадается и от него отделяется гравитационное взаимодействие.

Первые секунды жизни Вселенной

Интервал времени 10-43–10-36 с соответствует эпохе Великого объединения трех взаимодействий – слабого, электромагнитного и сильного. Составляющими Вселенной в этот период являются все известные фундаментальные частицы — кварки, лептоны и переносчики взаимодействий — векторные бозоны, включая глюоны, фотоны и переносчики сил Великого объединения: X - и Y -бозоны. Момент 10-36 с отвечает концу Великого объединения. При этом отделяется сильное взаимодействие. Концу Великого объединения

масштабы расстояний 10-16см. В результате аннигиляции и распада X- и Y-бозоны и их античастицы при t > 10-36 с исчезают.

Адронная эра

Период эволюции Вселенной, когда энергии фотонов были достаточны для рождения пар адрон-антиадрон, носит название адронной эры. Она начинается при t = 10-10 с и заканчивается к 10-4 с. Вначале вещество имело высокую температуру и находилось в состоянии кварк-глюонной плазмы. К 10-6 с Вселенная охладилась до T = 1013 K, поэтому стало возможным слияние кварков в адроны. Произошел кварк-адронный фазовый переход с образованием адронов и антиадронов, интенсивно взаимодействующих между собой. Основными составляющими Вселенной в это время наряду с лептонами и γ-квантами становятся – нуклоны, резонансы,

гипероны, их античастицы и продукты распада тяжелых частиц – π- и K-мезоны. Помимо распадов частиц

основными процессами, идущими на самых ранних этапах горячей Вселенной, являются рождение γ-квантами пар

частица-античастица и аннигиляция пар, вновь приводящая к образованию γ-квантов. В состоянии термодинамического

равновесия прямой и обратный процессы идут с одинаковой скоростью и плотность частиц и античастиц близка к плотности γ-квантов. Основные реакции,

происходившие во Вселенной в этот период:

частицы + античастицы <=> γ-кванты.

В горячей Вселенной было примерно одинаковое количество частиц, античастиц и γ-квантов. В этот период Вселенная была непрозрачна для γ-квантов и реакции образования пар частица-античастица и γ-квантов

доминировали. Конец адронной эры наступает тогда, когда энергия излучения становится меньше массы покоя самого легкого адрона — π-мезона. В начале адронной эры

плотность вещества достигала 1025 г/см3, т.е. на много порядков превышала плотность ядерной материи (1014 г/см3). К концу адронной эры температура снизилась

до 1012 K, плотность вещества во Вселенной упала до

1014 г/см3.

Лептоннаяэра

В условиях дальнейшего падения температуры и давления, когда рождение пар адрон-антиадрон становится невозможным, а их аннигиляция и распады продолжаются, происходит быстрое уменьшение числа адронов, что приводит к увеличению числа лептонов, являющихся продуктами распада адронов. На этом этапе энергия фотонов еще достаточна для рождения пар лептонантилептон. Этот период называют лептонной эрой. Основные процессы, происходившие в эту эру:

адроны + антиадроны => лептоны + антилептоны <=> γ-кванты.

В лептонную эру наблюдалось тепловое равновесие, при котором лептон-антилептонные пары рождались и аннигилировали примерно с одинаковой скоростью. Вселенная в этот период, помимо фотонов, состояла из лептонов (антилептонов) — в основном электронов (позитронов), нейтрино (антинейтрино) и небольшого количества легчайших барионов – протонов и нейтронов, оставшихся после адронной эры. Лептонная эра завершается примерно к десятой секунде, когда температура падает до 1010 K и энергии фотонов становятся недостаточными для рождения пары самых легких заряженных лептонов – e–e+.

Реликтовоенейтрино

В лептонную эру произошло еще одно важное событие – через несколько десятых долей секунды после Большого взрыва Вселенная стала прозрачной для нейтрино. В дальнейшем нейтрино и вещество расширялись независимо – изменение температуры и давления нейтрино не совпадало с изменением температуры и давления остальной части Вселенной. Нейтринный газ в дальнейшем охлаждался адиабатически из-за красного смещения, вызванного расширением. Число нейтрино должно было сохраниться практически неизменным до наших дней. Их концентрация должна быть примерно такой же, как реликтовых фотонов. Однако в связи с тем, что отделение нейтрино произошло раньше излучения, температура реликтовых нейтрино должна быть несколько меньше. К настоящему времени нейтринный газ охладился до 2 K. Экспериментальное обнаружение реликтовых нейтрино представляет важную и сложную проблему.

Радиационнаяэра

На смену лептонной эре приходит радиационная эра. В начале радиационной эры было еще довольно много лептонов, но за счет аннигиляции они быстро исчезали, превращаясь в излучение:

лептоны + антилептоны => γ-кванты.

Вселенная из состояния, когда плотность массивных частиц была близка к плотности фотонов, перешла к состоянию, в котором плотность фотонов на много порядков превосходила плотность массивных частиц. Вселенная практически полностью стала состоять из фотонов и нейтрино.

В начале радиационной эры излучение интенсивно взаимодействовало с заряженными частицами (протонами, электронами), входившими в состав Вселенной. За счет расширения Вселенной происходило её охлаждение, в том числе и фотонов. Фотоны охлаждались за счет эффекта Допплера при отражении от удаляющихся частиц. Увеличение длины волны фотонов Δλ связано с

увеличением расстояния R между удаляющимися при расширении Вселенной частицами соотношением:

λ/ λ = R / R.

Эравещества

При расширении Вселенной отношение концентраций фотонов и массивных частиц остается постоянным. Эти концентрации пропорциональны R-3, где R — радиус Вселенной, т.е. уменьшаются с одинаковой скоростью. При этом энергия не имеющего массы фотонного газа неограниченно стремится к нулю. В то же время полная энергия массивных частиц ограничена снизу их суммарной массой.

Примерно через 10 000 лет после Большого взрыва суммарная энергия, заключенная в веществе (с учетом массы), начинает превосходить суммарную энергию излучения. С этого момента во Вселенной начинает доминировать вещество и на смену радиационной эре приходит эра вещества.

Проблемаантивещества

На начальных этапах эволюции Вселенной количество антивещества равнялось количеству вещества. Куда девалось огромное количество антивещества? Этот вопрос очень важен, т.к. именно из вещества, оставшегося после завершения раннего (горячего) этапа развития Вселенной, в дальнейшем образовались галактики, сверхгалактики и звезды, развились новые формы материи, появилась жизнь.

Мы располагаем следующими фактами о нынешнем состоянии Вселенной:

1.Во Вселенной практически нет антивещества. Соотношение количества антивещества и вещества не превышает 10-4. Единичные антипротоны регистрируются в космических лучах.

2.Вещество по массе с точностью до 10-3 состоит из легчайших барионов – нуклонов. Отношение числа нуклонов nN к числу

реликтовых фотонов nγ составляет

nN/nγ ≈ 10-9.

3.Из электрической нейтральности Вселенной в целом следует, что отношение концентрации электронов ne к концентрации реликтовых

фотонов nγ то же, что и для нуклонов, т.е.

ne/nγ ≈ 10-9.

Реликтовое излучение

При падении температуры до T ~ 3·103 K происходит объединение протонов и электронов в атомы водорода. Плазменное состояние вещества Вселенной сменяется состоянием нейтральных атомов, и излучение перестает взаимодействовать с веществом. Вселенная становится прозрачной для излучения. Это происходит примерно через 300 000 лет после Большого взрыва, когда плотность вещества снижается до ~ 10-20 г/см3. Начиная с этого момента, фотоны реликтового излучения охлаждаются, двигаясь свободно в расширяющейся Вселенной.

В настоящее время температура реликтового излучения

T0 = 2,726 ±0,005 К.

Это излучение равномерно пронизывает все пространство и является изотропным с точностью ~ 10-4.

Реликтовое

излучение

Микроволновоефоновое (реликтовое) излучение

представлениям оно возникло спустя 300 тыс. лет после Большого взрыва. В это время Вселенная была заполнена космической плазмой, состоящей из протонов, ядер гелия и

произошло образование нейтральных атомов водорода и гелия, и Вселенная стала прозрачной для излучения. Это излучение, названное реликтовым, сохранилось до наших дней. По мере расширения Вселенной температура реликтового излучения падала пропорционально масштабам

излучения, выполненные на спутнике COBE (Cosmic Background Explorer), запущенном в 1989 г., позволили установить, что

•спектр реликтового излучения с точностью до 10−5

соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой Т = 2,726 К;

•в различных областях Вселенной излучение обладает разной температурой.

Обнаруженная анизотропия реликтового излучения составляет 10−5 К. Согласно теории, эта анизотропия является

свидетельством неоднородности в распределении материи, рожденной Большим взрывом. Благодаря этим неоднородностям в распределении материи впоследствии во Вселенной стало возможным образование галактик и скоплений галактик. Они лежат в основе крупномасштабной структуры Вселенной. Анализ неоднородностей в спектре реликтового излучения позволил выявить распределение материи в ранней Вселенной.

Микроволновоефоновое (реликтовое) излучение

Неравномерность реликтового излучения. Полоса в центре реликтового излучения Млечного Пути.

Нобелевская премия по физике

2006 г. — Дж. Матер и Дж. Смут

За открытие чернотельной формы и анизотропии космического микроволнового фонового излучения

Образование

звёзд

Образованиезвезд

Звезды формируются внутри молекулярных облаков — гигантских скоплений холодного газа и пыли. Такие облака содержат достаточно вещества для образования большого количества звезд. Внутри этих облаков имеются области повышенной плотности — зародышевые ядра. Под действием сил гравитации такое достаточно массивное зародышевое ядро преодолевает силы внутреннего давления и начинает сжиматься. Вычисления, учитывающие влияние гравитации и магнитного поля, показывают, что зародышевое ядро обычно не сразу сжимается в одиночную звезду. Ее наиболее плотная центральная часть формируется в виде отдельных мелких фрагментов, которые затем сливаются в единую систему.

Новорожденная звезда окружена диском остаточного вещества. В течение миллионов лет часть вещества диска выпадает на звезду, другая идёт на формирование планет, астероидов, спутников и комет, третья рассеивается в межзвездном пространстве.

Протозвезда

Начало звёздной эры относится примерно к 1 млрд. лет с момента Большого Взрыва, когда формируются первые галактики. Первые звёзды образуются через 2 млрд. лет. Солнечная система возникла сравнительно поздно – примерно через 10 млрд. лет.

Звёзды образуются из отдельных неоднородностей в гигантском молекулярном облаке, называемых компактными зонами. Их типичный размер порядка нескольких световых месяцев, плотность 3 104 молекул водорода в 1 см3 и температура ≈ 10 К. Сжатие компактной зоны

начинается с коллапса внутренней части, т.е. со свободного падения вещества в центре звезды. При падении на центр притяжения, молекулы приобретают энергию и в результате столкновения происходит разрушение молекул на отдельные атомы и переход вещества в ионизованное состояние. Сгусток, образующийся в центре коллапсирующего облака, называют протозвездой. Время образования протозвезды от начала коллапса 105-106 лет. Падающий на центр протозвезды газ образует ударный фронт, что приводит к разогреву газа до ≈ 106 К. Излучение

протозвезды – это излучение свободно двигающихся электронов в ионизованной среде. Протозвезда светит за счёт освобождения гравитационной энергии при сжатии.

Гравитационнаяэнергия

однородногошара

R — радиус шара.

Масса шара M распределена однородно с плотностью ρ

При удалении слоя толщиной dr , расположенного на расстоянии r от центра шара, затрачивается энергия

равная энергии этого шарового слоя в гравитационном поле, создаваемом внутренними слоями

Интегрируя по всему объему шара, получим

Учитывая соотношение (*), получим

Eгр — энергия гравитационного поля, обусловленная

гравитационным притяжением, составляющих шар элементов массы.

G = 6,7 10−11 H M 2 — гравитационная постоянная.

Kr2

Величина R = GMc2 называется гравитационным

радиусом.