13. ДОЗВЕЗДНАЯ СТАДИЯ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ

    Для объяснения наблюдаемого соотношения между водородом и гелием механизма, который был описан выше (сгорание водорода в недрах звезд), оказывается совершенно недостаточно. За счет этого механизма удается объяснить не более нескольких процентов всего гелия, наблюдаемого во Вселенной. Более 90% гелия (он составляет около 25% общей массы вещества) образовалось на более ранних (дозвездных) стадиях эволюции Вселенной. Согласно теории Большого Взрыва (Леметр, Гамов), примерно 12 млрд лет назад вещество Вселенной было сконцентрировано в очень малом объеме и имело огромную плотность, температуру и давление. Происходило стремительное (взрывное) расширение Вселенной, сопровождаемое её охлаждением и уменьшением давления. Если за начальный момент t = 0 взять момент Большого Взрыва, то зависимости плотности и температуры T вещества от времени t космологического расширения даются следующими приближенными соотношениями:

    Из этих соотношений видно. что при t ~ 1c Вселенная имела колоссальную плотность ~ 10⁵ г/см³ и температуру ~ 10¹⁰K. Для сравнения укажем, что температура в центре Солнца 1.5 ·10⁷K.
    Расширение Вселенной следует из анализа красного смещения спектров видимого излучения галактик за счет эффекта Допплера. Установлено, что величина красного смещения и, следовательно, скорость разбегания галактик увеличивается для более удаленных галактик. Скорость разлета v двух галактик и расстояние R между ними связано законом Хаббла:

v = HR,

где H - постоянная Хаббла. Т.е. скорость разлета галактик прямо пропорциональна расстоянию R между ними. Такое разбегание галактик является свидетельством расширения Вселенной. Зная численное значение постоянной Хаббла и считая, что она не меняется со временем, можно определить момент времени в прошлом, когда все галактики были практически в одной точке. Учитывая, что H = (60 - 80) км/сек·мегапарсек и 1 мегапарсек = 3.1*10¹⁹км, получаем для оценки времени t₀, прошедшего после Большого Взрыва, следующее значение

t₀ = R/v = 1/H = (12-20)  млрд лет.

    Состояние Вселенной в настоящее время характеризуется величинами, приведенными в таблице 12.

Таблица 12

Характеристики Вселенной в настоящее время

    Существует несколько прямых следствий событий далекого прошлого, подтверждающих концепцию Большого Взрыва. Эти явления называются реликтовыми.
Основные среди них следующие:
1. микроволновое фоновое излучение (температура 2.7 K);
2. высокая распространенность гелия ( ~ 25% общей массы);
3. соотношение между числом фотонов и барионов (10⁹ : 1 в пользу фотонов).
    Наиболее убедительным подтверждением теории Большого Взрыва явилось открытие в 1965 г. Р. Вильсоном и А. Пензиасом предсказанного Гамовым реликтового микроволнового излучения. Форма спектра этого излучения соответствует излучению абсолютно черного тела с температурой 2.7 K. Это излучение равномерно заполняет всю Вселенную. Максимум его интенсивности приходится на длины волн около 0.1 см. Соотношение между числом реликтовых фотонов и барионов (протонов и нейтронов) 10⁹:1 в пользу фотонов. Однако суммарная энергия реликтового излучения в настоящее время на четыре порядка меньше суммарной массы покоя вещества в энергетических единицах. В среднем на несколько кубических метров нынешней Вселенной приходятся один протон и один электрон (Вселенная электрически нейтральна).
    Среднюю плотность вещества  ρ_в, заполняющего нынешнюю Вселенную, оценивают на уровне 10^-30-10^-29 г/см³. Это вещество подразделяют на так называемое видимое, которое проявляется через эмиссию и поглощение фотонов, и скрытое, т.е. невидимое, о существовании которого свидетельствуют только гравитационные эффекты. Плотность видимой материи (звезды, светящийся газ) оценивается более определенно, однако на её долю, приходятся проценты или доли процентов общей массы Вселенной (табл.12). До сих пор не ясно, достаточно ли вещества во Вселенной, чтобы её расширение когда-либо сменилось сжатием. Условием этого является превышение плотности вещества критического значения, т.е. ρ_в  = ρ_вид + ρ_см > ρ_к.
    Вернемся к реликтовому излучению. Оно было свидетелем процессов, происходивших во Вселенной на самых ранних стадиях её эволюции. Реликтовое излучение рассматривают как остывший отблеск Большого Взрыва. Чтобы понять природу реликтового излучения, необходимо проследить за эволюцией Вселенной на самых ранних её этапах. Ниже рассматривается эволюция горячей Вселенной в рамках Стандартной Модели Большого Взрыва. Следует иметь в виду, что приводимые величины, характеризующие отдельные этапы эволюции, имеют оценочный характер.
    Начнем с так называемого планковского момента t_п  ~ 10^-43 с. Вплоть до этого момента все четыре фундаментальных взаимо - действия (гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное) объединены в универсальное суперсимметричное взаимодействие. Планковский момент является комбинацией трех фундаментальных констант - G (гравитационная постоянная), и c:

.

    Планковскому моменту соответствует планковский масштаб расстояний (планковская длина)
L_п = (G/c³)^1/210^-33 см, планковская энергия E_п = (c⁵/G)^1/210¹⁹ ГэВ (или масса m_п = 10¹⁹ ГэВ/с²) и температура T_п = 10³² K.
    При t < t_п условия настолько необычны, что к ним не применимы привычные представления о пространстве и времени. Происходит распад на кванты единого непрерывного пространства-времени. Временной и пространственный масштаб этих квантов соответствует вышеприведенным планковским значениям (10^-43с и 10^-33см). Временных интервалов более мелких, чем t_п, по - видимому, не существует и внутри столь малых временных отрезков теряют смысл понятия “до” и “после”. В пределах планковских масштабов существуют своеобразные флуктуации пространства и времени. возникает как бы “пена” квантов пространства - времени - квантовый хаос. Квантовые флуктуации при t<10^-43с могли стать причиной возникновения крупномасштабной структуры Вселенной.
    Сразу же после планковского момента (t > t_п) единое суперсимметричное поле распалось и от него отделилось гравитационное взаимодействие. Интервал 10^-43 - 10^-36с соответствует эпохе Великого Объединения трех взаимодействий - слабого, электромагнитного и сильного. Момент 10^-36с отвечает концу Великого Объединения. При этом отделяется сильное взаимодействие. Конец Великого Объединения наступает при T ~ 10²⁸K, характерных энергиях частиц 10¹⁵ ГэВ и масштабах расстояний 10^-29 см.
    Составляющими Вселенной в рассматриваемый период (10^-43 с -10^-36 с) являются все известные фундаментальные частицы - кварки, лептоны и переносчики взаимодействий - векторные бозоны, включая глюоны, фотоны и переносчики сил Великого Объединения: X - и Y - бозоны. Все частицы безмассовы. В момент крушения Великого Объединения X - и Y - бозоны приобретают массы ~10¹⁵ ГэВ/с², остальные частицы остаются безмассовыми вплоть до t = 10^-10с, когда рушится электрослабая симметрия и происходит разделение электромагнитного и слабого взаимодействия. При этом кварки, лептоны и промежуточные бозоны (W⁺, W^-, Z) приобретают массы. Концу электрослабого объединения соответствует T = 10¹⁵ K, энергии частиц ~ 100 ГэВ, масштабы расстояний 10^-16см. За счет аннигиляции и распада X - и Y - бозоны и их античастицы при t > 10^-36 с исчезают.
    Вначале вещество имело столь высокую температуру, что кварки не могли объединиться в адроны, так как высокая тепловая энергия вновь разрушала адроны. К 10^-6 с Вселенная охладилась настолько (T = 10¹³K), что 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, помимо лептонов и -квантов, становятся - нуклоны, резонансы (их время жизни 10^-22 - 10^-23 с), гипероны (время жизни 10^-8 - 10^-10с), 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 этих пар, вновь приводящая к возникновению γ-квантов. В состоянии термодинамического равновесия прямой и обратный процессы идут с одинаковой скоростью и плотность частиц и античастиц близка к плотности γ-квантов. Поэтому основные реакции, происходившие во Вселенной в этот период, можно записать следующим образом:

ЧАСТИЦЫ + АНТИЧАСТИЦЫ <=> -КВАНТЫ.

    Т.е. в горячей Вселенной должно было быть колоссальное количество античастиц, равное числу частиц, и примерно равное числу γ-квантов. В этот период Вселенная была непрозрачна для -квантов и реакции образования пар частица-античастица из γ-квантов доминировали.
    С началом образования из кварков адронов энергии γ-квантов какое-то время были достаточны для рождения адронов (антиадронов). На этом этапе выполнялось следующее соотношение:

КОЛИЧЕСТВО ВЕЩЕСТВА ~ КОЛИЧЕСТВО АНТИВЕЩЕСТВА ~ КОЛИЧЕСТВО ФОТОНОВ,

где под количеством вещества (антивещества) понимается количество адронов (антиадронов).
    На этом этапе излучение находилось в тепловом равновесии с веществом. Тепловое равновесие означает, что система “не помнит”, каким путем она подошла к стадии теплового равновесия. Поэтому вся предыдущая история не оказывает существенного влияния на эволюцию системы, находящейся в тепловом равновесии.
    Тот период эволюции Вселенной, когда энергии фотонов были достаточны для рождения пар адрон-антиадрон, носит название эры адронов. Она начинается примерно при t = 10^-10с и заканчивается к 10^-4с. 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 матери (10¹⁴ г/см³). К концу адронной эры, когда температура снизилась до 10¹²K, плотность вещества во Вселенной упала до 10¹⁴ г/см³.
    В условиях дальнейшего падения температуры и давления, когда рождение пар адрон-антиадрон уже невозможно, а их аннигиляция и распад, естественно, продолжаются, происходит быстрое уменьшение числа адронов. Они как бы “вымирают”. Уменьшение числа адронов (антиадронов) в реакциях аннигиляции приводит к повышению числа легких частиц - лептонов, являющихся продуктами распада адронов. На этом этапе энергия фотонов еще достаточна для рождения пар лептон-антилептон. Этот период называют лептонной эрой и основные процессы, происходившие в эту эру, можно представить следующей схемой:

Адроны + Антиадроны    γ-кванты <=> Лептоны + Антилептоны.

    В лептонную эру также 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. К этому небольшому избытку барионов мы вернемся ниже. Лептонная эра завершается примерно к десятой секунде, когда температура падает до 10¹⁰ K и энергии фотонов становятся недостаточными для рождения пары самых легких массивных лептонов - e^-e⁺.
    В лептонную эру произошло еще одно важное событие - через несколько десятых долей секунды после Большого Взрыва Вселенная стала прозрачной для нейтрино (антинейтрино). 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 только охлаждался адиабатически из-за красного смещения, вызванного расширением. Число нейтрино при этом должно было сохраниться практически неизменным до наших дней. Их концентрация должна быть примерно такой же как и для реликтовых фотонов. Однако в связи с тем, что отделение нейтрино произошло раньше, чем излучения, температура реликтовых нейтрино должна быть несколько меньше. К настоящему моменту нейтринный газ должен охладиться до 2 K. Экспериментальное обнаружение реликтовых нейтрино представляет чрезвычайно важную и сложную проблему.
    На смену лептонной эре приходит радиационная эра. В начале этой эры было еще довольно много лептонов, но за счет аннигиляции они быстро исчезали, превращаясь в излучение:

Лептоны + Антилептоны γ-кванты.

Таким образом, Вселенная от состояния, когда плотность массивных частиц была близка к плотности фотонов, перешла к состоянию, в котором плотность фотонов на много порядков превосходила плотность частиц с массой. 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 происходило охлаждение Вселенной, 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 ΔR между удаляющимися при расширении Вселенной частицами следующим соотношением

    При дальнейшем 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, в соответствии с (42), неограниченно стремится к нулю. В то же время полная энергия массивных частиц ограничена снизу их суммарной массой покоя.
    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.
    При достижении T ~ 3 ·10³ K происходит объединение протонов и электронов в атомы водорода. Плазменное состояние вещества Вселенной сменяется состоянием нейтральных атомов (среди них уже есть атомы дейтерия и гелия) 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. Увеличение длины их волны (смещение в красную область спектра) с ростом масштабов Вселенной дается той же формулой (42) эффекта Допплера. В настоящее время, как уже отмечалось выше, температура реликтового излучения упала до ~ 3 K. Это излучение равномерно пронизывает все пространство и является изотропным с точностью по крайней мере до 10^-4.
    Разделение вещества и излучения привело к усилению влияния первичных неоднородностей в распределении вещества, что в свою очередь привело к образованию галактик и сверхгалактик. Более мелкие неоднородности привели к образованию звезд. Этот этап развития Вселенной продолжается и в настоящее время.
    В радиационную эру произошло еще одно важное событие - в результате синтеза образовалось первое ядро тяжелее водорода. Примерно через минуту после Большого Взрыва температура снизилась до 10⁹K. Вселенная остыла настолько, что при столкновении протона и нейтрона стали эффективно образовываться ядра дейтерия. При соударении двух ядер дейтерия стали возникать ядра гелия. За короткое время (примерно 3 часа) 20 - 25% вещества Вселенной (по массе) превратилось в гелий. Это основной механизм происхождения гелия. В звездах образуется лишь сравнительно небольшое количество гелия. Более детально механизм дозвездного нуклеосинтеза описан в следующем разделе.
    Рассмотренные выше догалактические этапы эволюции Вселенной представлены в таблице 13.

Происхождение вещества

Куда девалось огромное количество антивещества? Ведь на начальных этапах эволюции Вселенной количество вещества равнялось количеству 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 антивещества и вещества не превышает 10^-4). Единичные антипротоны регистрируют в космических лучах.
2. Количество вещества во Вселенной ~ 10⁵⁵ г.
3. Это вещество по массе с точностью до 10^-3 состоит из легчайших барионов - нуклонов, причем отношение числа нуклонов n_N к числу реликтовых фотонов n_γ следующее

Эта барионная (нуклонная) компонента Вселенной на 75 - 80% состоит из протонов и на 20 - 25% из нейтронов, находящихся главным образом в связанном состоянии в атомных ядрах.
4. Из электрической нейтральности Вселенной в целом следует, что отношение концентрации электронов n_e к концентрации реликтовых фотонов n то же, что и для нуклонов, т.е.

Таблица 13

Догалактические этапы эволюции Вселенной

    Отношения (43) и (44) не должны зависеть от времени в адиабатически и изотропно расширяющейся Вселенной.
    Современные концепции исходят из того, что Вселенная родилась с квантовыми числами вакуума, т.е. электрически нейтральна и имела суммарный барионный заряд, равный нулю. Барионная асимметрия Вселенной возникла на самых ранних этапах развития Вселенной, в условиях высоких энергий (температур).
    Вернемся к концу адронной эры (10^-4 с после Большого Взрыва). В этот момент интенсивно рождались и аннигилировали легчайшие барион - антибарионные пары. Их плотность была сравнима с плотностью фотонов. При стремительном расширении и охлаждении Вселенной рождение нуклон-антинуклонных пар уже не компенсировало их аннигиляцию и число барионов (антибарионов) быстро уменьшалось, пока не стабилизировалось на некотором значении, когда резко упавший за счет сильного разряжения темп аннигиляции перестал влиять на отношение концентрации барионов n_б и  n_γ фотонов . Оказывается, что это отношение стабилизируется на уровне:

n_б/n_γ10^-9,

что на много порядков ниже наблюдаемого значения 10^-9.
    В 1967 г. Сахаровым была выдвинута гипотеза, о том, что экспериментальное значение обсуждаемого отношения 10^-9 является следствием незначительного преобладания нуклонов над антинуклонами (10⁹ + 1)/10⁹, возникшего в результате несохранения барионного заряда и нарушения CP - инвариантности. Необходимым условием сохранения этого барионного избытка должен быть временный выход Вселенной из равновесного состояния в процессе её расширения. По мере последующего остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом за исключением незначительного остатка 10^-9, который и послужил материалом для дальнейшей эволюции.
    Этот незначительный дисбаланс (10^-9) между барионами и антибарионами (и вообще между фермионами и антифермионами) вычисляется в рамках современных теорий Великого Объединения, дополненных моделью Большого Взрыва. В соответствии с таким подходом обсуждаемый дисбаланс возник в весьма кратковременный интервал через 10^-36 с после Большого Взрыва, когда типичные энергии частиц и температура (~ 10¹⁵ ГэВ, 10²⁸ K) были еще достаточны для рождения переносчиков сил Великого Объединения - X, Y - бозонов и их античастиц. Эти частицы участвуют в кварк-лептонных переходах, не сохраняющих ни барионный, ни лептонный заряд. Они ответственны за возможную нестабильность протона. X и , Y и в силу CPT - теоремы имеют одинаковые полные ширины распада, но отдельные (парциальные) их распады могут происходить с нарушением CP - инвариантности, подобно тому как это имеет место в распаде нейтральных K - мезонов. Нарушение CP - симметрии гарантирует появление фермион-антифермионной асимметрии при условии, что система вышла из теплового равновесия. По мере расширения Вселенной сразу после Большого Взрыва её плотность и температура стремительно падали и она могла выйти из состояния теплового равновесия. Расчеты показывают, что это могло происходить в конце эпохи Великого Объединения, когда Вселенная была подвержена чрезвычайно быстрому (экспоненциально зависящему от времени) расширению. Такое экспоненциальное “раздувание” Вселенной называют инфляцией. Инфляция завершается к 10^-32 - 10^-33 с, после чего Вселенная возвращается к обычному темпу расширения. При дальнейшем остывании (когда температура падает ниже 10²⁷ K) X, Y - бозоны и их античастицы быстро исчезают, распадаясь на другие частицы. Тепловое равновесие восстанавливается. Но возникшая фермион - антифермионная асимметрия уже не может исчезнуть и сохраняется до наших дней.
    Предсказываемое при этом отношение числа нуклонов (и электронов) к числу фотонов оказывается хорошо согласующимся с наблюдаемым значением 10^-9.