После Большого взрыва

©hoo$e ЛÄнgიAge©///₾ÄngიAge® Ekohomei©Å TÅLKiNg ი.ბ.м.ლ.

geo.rf.gd

1. После Большого взрыва

“ В одном мгновении видеть вечность…”

Уильям Блейк

   О том, как устроена Вселенная, мы можем судить благодаря созданным человеком приборам, позволяющим заглянуть на невообразимо далёкие расстояния, которые трудно представить. Если сравнить их с принятой в астрономии единицей длины – световым годом (1 световой год = 9.5^.10¹² км или ~0.3 парсека (1 парсек ~ 3.1^.10¹³ км)), то расстояния до видимых приборами источников можно оценить в 5000 миллионов парсек или 15 миллиардов световых лет! Наблюдаемая сегодня Вселенная - огромные объединения звёзд – галактики, мелкими вкраплениями заполняющие, на первый взгляд, пустое пространство. Но, на самом деле, всё пространство Вселенной заполнено тем, что мы называем веществом и излучением.
    Вначале о веществе. Вещество состоит из атомных ядер – нуклидов. В ядре находятся протоны и нейтроны. Их называют нуклонами. Число протонов определяет заряд ядра (Z), а общее число протонов и нейтронов (N) – массовое число, или массу ядра (А), т.е Z + N = A Фактически эти два параметра ядра – Z и A - определяют характеристики нуклида и самого вещества.
    Так, например, водород, наиболее распространённый и лёгкий элемент во Вселенной, имеет Z = 1 (его обозначение ¹Н), а среди наиболее тяжёлых и редких – уран имеет Z = 92 (⁹²U). Одной из задач астрофизики как раз и является выяснение происхождения и распространённости отдельных нуклидов во Вселенной, а их примерно 300.
    История Вселенной насчитывает более чем 10 миллиардов лет. Как она возникла?

1.1. Убегающие галактики

“Космос проходит бесконечные циклы Больших взрывов и расширений.
Возможно, Большой взрыв – не начало времени,
а лишь начало последнего цикла из бесконечной серии нагреваний,
расширения, застоев, опустошения и вновь расширения”.

П. Стейнхард

“История космологии – это история наших заблуждений…
Мы находимся на маленькой планете во Вселенной,
не можем никуда выйти и поставить эксперимент.
Всё, что мы можем сделать, это взять немного света,
который достиг нас и понять, что из себя представляет Вселенная”.

М. Чаун

    Великим физикам прошлого И. Ньютону и А. Эйнштейну. Вселенная представлялась статичной. “Опасаясь” неминуемого её гравитационного схлопывания, И. Ньютон предположил, что галактик бесконечно много. А. Эйнштейн в своей теории относительности искусственно ввел “космологический член”, обеспечивающий силы отталкивания небесных тел c большими массами. Это было в 1917 г. Но в том же переломном 1917 американец В. Слайфер опубликовал работу о разбегании космических туманностей и вслед за ним советский физик А. Фридман в 1924 г. выступил с теорией “разбегающихся” галактик – расширяющейся Вселенной. Это было революционным переворотом в физическом представлении о нашем мире.
    Прошло еще несколько лет, и американец Э. Хаббл открыл в 1929 г. эффект разбегания галактик. Гипотеза А. Фридмана получила экспериментальное подтверждение по наблюдениям красного смещения скорости движения галактик. Оказалось, что скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них. Из экспериментального факта разбегания галактик был оценён возраст Вселенной. Он оказался равным не много не мало – около 15 миллиардов лет! Так началась эпоха современной космологии.
    Естественно возникает вопрос: а что было в начале? Всего около 20 лет понадобилось ученым, чтобы вновь полностью перевернуть представления о Вселенной.

Рис. 1.1. Диаграмма Большого взрыва - сотворения мира с основными моментами и характеристиками расширяющейся Вселенной. До 10^-43 сек господствовала эпоха Великого объединения всех трёх взаимодействий, закончившаяся на 10^-6 сек слиянием кварков в адроны. На 10 секунде наступила эра доминирования излучения над веществом (радиационная эра). Лишь через 40000 лет вещество начало преобладать над излучением, что привело к образованию атомов (через 4000000 лет). Эра вещества продолжается до наших дней, спустя 15 миллиардов лет после Начала.

    Ответ предложил наш соотечественник – выдающийся физик Г. Гамов в 40-ые годы. История нашего мира началась с Большого взрыва (рис.1.1). Именно так думает большинство астрофизиков и cегодня.
    Большой взрыв – это стремительное падение изначально огромной плотности, температуры и давления вещества, сконцентрированного в очень малом объёме Вселенной. В начальный момент Вселенная имела гигантскую плотность и температуру. На первой секунде своего существования мир имел плотность ~ 10⁵ г/cм³ и температуру 10¹⁰ К. Современная температура ближайшей к нам звезды – Солнца в тысячу раз меньше.
    В течение короткого промежутка времени после Большого взрыва – всего 10^-36 сек – крохотная Вселенная была заполнена фундаментальными частицами. Эти частицы, в отличие от нуклидов, протонов и нейтронов – неделимы. Из них и состоят, собственно, протоны и нейтроны – основа ядерной материи. Это – фундаментальные фермионы, взаимодействующие друг с другом посредством единого, на тот период развития Вселенной, фундаментального взаимодействия. Как происходило такое взаимодействие? Через частицы. Они называются бозонами. Их четыре: фотон (гамма-квант), глюон и два бозона – W и Z. А сами фундаментальные частицы, т.е. фермионы – это шесть видов кварков и шесть видов лептонов.

Рис. 1.2. Частицы (протон и электрон) и их антиподы – антипротон и позитрон. Если электрон и позитрон отличаются друг от друга только электрическим зарядом, то протон и антипротон – разной внутренней структурой – кварками и антикварками. Спин (физическая величина, описывающая вращательное движение) у этих частиц и античастиц – одинаковые

Именно эта группа частиц из 12 фермионов, взаимодействующих друг с другом посредством 4-х бозонов, по сути и есть зародыш Вселенной. Но это ещё неполная картина. Среди кварков и лептонов были их антиподы – античастицы, отличавшиеся от обычных частиц знаком некоторых характеристик взаимодействия. В простейшем случае – это электрический заряд (см. рис. 1.2). Например, один из лептонов – электрон (е^-) может быть как отрицательно заряженным, так и положительно (в этом случае его называют позитроном (е⁺)). Античастицы существуют почти у всех частиц, за исключением фотона () и некоторых других. Для них античастицами являются они сами.

Сверхвысокие начальные температуры Вселенной приводили к столкновениям частиц и их взаимному превращению. Так, из пары фотонов могли образоваться электрон и позитрон, а столкновение последних (процесс взаимодействия частицы и античастицы называется аннигиляцией) привести к рождению вновь пары фотонов:

(2γ) → (е⁺,е⁻)
(е⁺,е⁻) → (2γ)

Было возможным и появление новых частиц – нейтрино () и антинейтрино ():

(е⁺,е⁻) → (ν,)

    А взаимодействие нейтрино со своей античастицей приводило вновь к появлению электрона и позитрона.
    Взаимные превращения частиц в условиях сверхвысоких температур напоминали “кипящий суп”, в котором число частиц и античастиц было равным. Это означает, что наряду с Вселенной существовала и Антивселенная. Сейчас, через многие миллиарды лет после этого момента, делаются попытки найти её или то, что от неё осталось. Но об этом - в последующих главах книги.
    А пока вернёмся к расширяющейся Вселенной первых мгновений её существования.
    Современная физика полагает, что частицы – фермионы и бозоны, появившиеся сразу после Большого взрыва, неделимы. “Полагает” - означает, что нет пока никаких сведений об их внутреннем строении. Фермионы и бозоны были безмассовыми где-то вплоть до 10^-10 сек развития Вселенной и составляли, так называемый “кипящий суп”, крохотной Вселенной. Они взаимодействовали друг с другом по единому закону Великого объединения.
    На 10^-36сек эпоха Великого объединения рухнула. Характер взаимодействия частиц начал меняться. Слияние частиц и образование более тяжёлых было невозможным, пока Вселенная имела высокую температуру.
    Охлаждение Вселенной продолжалось в течение 1 микросекунды. За это время частицы, наполняющие крохотную, размером не более 10^-14 см, Вселенную, приобретают массу, их энергия увеличивается, и появляются новые частицы – “настоящие” кварки – с массой – кирпичики той материи, из которой и состоит современная Вселенная. Стало возможным слияние кварков в более массивные частицы – адроны и антиадроны.
    Но Вселенная продолжала остывать, и это привело к уменьшению числа адронов по сравнению с числом лептонов. Среди лептонов имеются нейтрино. В этот период жизни Вселенной (на этот момент ей исполнилось примерно 10 сек) нейтрино, практически не обладающие массой, оказались на свободе: их расширение происходило независимо от всех остальных частиц. Это – реликтовые нейтрино. Ожидается, что они сохранились до сих пор ( более подробно о них будет рассказано в главе 11).
    Тем временем, аннигиляция частиц продолжалась, что вызвало увеличение числа фотонов. Вселенная стала состоять практически из одного излучения – фотонов и нейтрино. Это была радиационная эра в её развитии. Дальнейшее уменьшение температуры за счёт расширения Вселенной и уменьшение энергии излучения привело к тому, что через десятки тысяч лет после Большого взрыва вещество начинало преобладать над изучением, и практически перестало взаимодействовать с излучением. А через сотни тысяч лет после Большого взрыва Вселенная как будто “забыла” о своём исходном состоянии.
    Но нам остались “свидетели” той эпохи – это реликтовые нейтрино и реликтовые фотоны. Если вторые уже “пойманы” (о них пойдёт речь ниже), то задача экспериментального обнаружения реликтовых нейтрино – чрезвычайно сложная, и её не удаётся пока решить.

1.2. Сотворение вещества

“Когда я был моложе, я думал, что наука и космология могут объяснить строение Вселенной. Сейчас я так не думаю”.

Яков Зельдович

Радиационная эра в развитии Вселенной – чрезвычайно важный период. Именно в это время начали возникать тяжёлые ядра – основа химических элементов, заполняющих периодическую таблицу Д. Менделеева. Этот процесс носит название нуклеосинтеза.
Протон, самое лёгкое ядро, возникло через десятки секунд после рождения Вселенной. В это время температура и плотность Вселенной была достаточно высокой для осуществления синтеза дейтерия – ядра, состоящего из двух нуклонов, образовавшегося при соударении протона и нейтрона. Эта реакция синтеза сопровождалась генерацией фотонов и выделением энергии:

p + n → ²H + γ + Q.

Здесь Q = 2.2 МэВ (МэВ – мегаэлектронвольт =10⁶ эВ – единица измерения энергии) - энергия, выделяемая в этой реакции синтеза. Затем в течение очень короткого промежутка времени (около 10-15 минут) произошла цепочка реакций превращения дейтерия ²H в тритий (³H - ядро из трёх нуклонов) и, наконец, дейтерий и тритий образовали гелий ³He - второй по своей значимости элемент во Вселенной. Расчёты показывают, что в этот момент его образовалось на уровне 24 процентов от всех нуклонов Вселенной. Именно такое содержание гелия мы наблюдаем и в наши дни, в условиях современной Вселенной. Заметим, что вся эта цепочка реакций синтеза происходит с большим выделением энергии. При попытках человека на Земле создать мощнейшие генераторы энергии – термоядерные реакторы и водородные бомбы именно эти реакции были взяты за основу.
    Но вернёмся к модели расширяющейся Вселенной. Когда возникли звёзды? Предполагается, что процесс звёздообразования начался 1 миллиард лет назад в результате образования неоднородностей в распределении вещества во Вселенной и гравитационного взаимодействия между отдельными его сгустками.
    Последние исследования на космических телескопах действительно обнаруживают в далёких областях Вселенной повышенные концентрации вещества – их называют “газовыми” или “молекулярными облаками”. Именно здесь наблюдается повышенное количество звёзд. Безусловно, процесс образования звёзд (по человеческим меркам) – очень медленный - сотни тысяч и миллионы лет.
    Модели формирования звёзд сводятся к первичному формированию так называемой “протозвезды” - сильно разогретому (до 10⁶ К) сгустку веществ, состоящего из атомов, лишённых своих электронных оболочек – ионов, и свободных электронов. Вещество протозвезды сжимается – коллапсирует, температура её повышается вследствие осаждения вещества из окружающего пространства - аккреции, и внутри неё начинают происходить реакции термоядерного синтеза.
    Эти реакции развиваются при достижении массы протозвезды в 10 раз меньше массы Солнца. Этот период жизни звезды характеризуется “выгоранием” в термоядерном котле лёгких элементов и образованием тяжёлых. В этом плане процесс формирования звезд – важный этап процесса образования - синтеза элементов во Вселенной.
    При температуре протозвезды – 10⁶ К происходят реакции горения дейтерия – ²H + ²H с образованием трития ³H. Образование дейтерия приводит к увеличению размера протозвезды. Температура её начинает расти из-за гравитационного сжатия, и возникают условия для последовательного сгорания вещества, начиная с водорода и кончая кремнием и железом. Водород в этой топке горит дольше всех других элементов. Звезда расходует на эту фазу энергию, но она не тускнеет, а сжимается, т.к. энергии горения не хватает на преодоление гравитационного сжатия.
    Затем во внешней оболочке звезды гелий переходит в углерод, кислород и азот. Этот период времени занимает несколько миллионов лет, уменьшаясь по мере смещения процесса термоядерного синтеза к более тяжёлым элементам. Менее 1% общей массы звезды превращается в энергию.
    Число фаз горения зависит от первоначальной массы звезды. Если она больше 8 масс Солнца, то произойдут все фазы горения вплоть до железа. Синтез новых элементов в термоядерном котле заканчивается на железе – оно не вступает в дальнейшие превращения.
    Последовательная цепочка ядерных превращений в чреве звезды сопровождается увеличением её температуры. Масса звезды растёт – возникают так называемые массивные звёзды – красные гиганты. Такое название они приобретают из-за преобладания красного цвета в их спектрах излучения. Размеры красного гиганта в сотни раз превышают размеры протозвезды. Красные гиганты – неустойчивые системы: они извергают во внешнее пространство своё вещество – теряют свою внешнюю оболочку (рис. 1.3).

Рис.1.3. Превращение красного гиганта в нейтронную звезду

1.3. Гибель звезд

“Только пепел знает, что значит сгореть дотла…”

Иосиф Бродский

    Ну а далее может произойти, пожалуй, одно из наиболее интересных событий во Вселенной. По мере истощения термоядерных циклов в звезде начинают преобладать гравитационные силы, которые заставляют сжиматься, коллапсировать звезду. Процесс вновь сопровождается повышением температуры. Становится возможным развал ядер железа в центральной части звезды на элементарные частицы – нейтроны, протоны и более тяжёлые ядра – гелия (альфа-частицы).
    Но, кроме этого, происходит превращение пары (e⁺,е^-) в пару нейтрино - антинейтрино. Нейтрино весьма слабо взаимодействует с веществом и покидает разваливающуюся звезду. Потоки нейтрино уносят львиную долю энергии сгорающей звезды. Выход нейтринного потока сокращает время жизни звезды – циклы горения элементов сокращаются. Создается своеобразный нейтринный импульс – свидетельство взрыва звезды.
    В результате образуется звезда “лукообразной” структуры: с очень малым по размеру железным ядром и внешней оболочки из более лёгких элементов (рис. 1.4). Таким образом, при взрыве сверхновой происходит превращение водорода в более тяжёлые элементы – это взрывной процесс образования новых элементов.

Рис. 1.4. Многослойная структура “горящей” звезды – красного гиганта и превращение её в нейтронную. Горение начинается с лёгких элементов и заканчивается на кремнии, сере и железе. Формируется “железная” звезда, которая взрывается вследствие гравитационного коллапса. Это – момент вспышки сверхновой. Более 90% первоначальной массы звезды уносится в пространство. От первоначального красного гиганта остаётся нейтронная звезда.

Затем может произойти собственно коллапс. Он происходит, если масса железного ядра превышает некоторый предел. Начиная с этого момента, звезда коллапсирует и превращается в нейтронную звезду или пульсар с гигантской плотностью вещества. На разных стадиях температура и время горения различаются (см. таблицу 1).

Таблица 1 . Время горения звезды и испускания ею частиц.

Элемент	Температура 10⁹К	Время горения	Испускаемые частицы
Водород Углерод Кремний	0.02 0.8 3.5	7^.10⁶ 600 лет 1 сутки	Фотоны, нейтрино Нейтрино Нейтрино

    Требуется всего несколько секунд, чтобы звезда перешла в совершенно новое состояние, новый объект. Процесс может пойти дальше – к образованию чёрной дыры. Коллапс связан высвобождением энергии, передающейся наружу, к внешним оболочкам, сопровождающейся резким повышением температуры до миллиардов градусов. Это и есть взрыв сверхновой – для наблюдателя яркая вспышка звезды на небосклоне.
    Взрывная, или ударная волна, распространяющаяся от остатков сверхновой, летит через звёздное пространство, создавая локальные неоднородности в распределении плотности вещества – местами разряжение, а местами уплотнения вещества. Вещество, которое образуется при взрыве самой сверхновой, рассеивается в объёме гигантского пространства галактик и перемешивается с более ранними остатками от взрывов других сверхновых с тем, чтобы вновь, в результате длительной эволюции, превратиться в звёзды, часть которых вновь должна взорваться. Затем могут образоваться новые звёзды, и процесс начнётся сначала. Все элементы на Земле тяжелее гелия – появились в этот период времени как продукты ядерных реакций и они разлетаются по Вселенной в результате энергии взрыва сверхновых - умирающих звёзд.
   Есть ещё один вариант событий. Красный гигант, испытывая периодические осцилляции из-за потери вещества, может не перейти на стадию взрыва сверхновой и превратиться в белого карлика – стационарную, постепенно остывающую, звезду. Это может произойти, если по мере прекращения термоядерных реакций на стадии красного гиганта, масса звезды станет меньше массы Солнца. Напротив, если же масса звезды достигнет нескольких масс Солнца, то процесс пойдёт по сценарию взрыва сверхновой.

На рис. 1.5 показана диаграмма эволюции типичной звезды, иллюстрирующая сказанное выше. Вот такой “взрывообразный” круговорот происходит с нашей Вселенной…. Трудно представить, но всё, что есть на Земле - и живая природа, и неживая – состоит из “пыли” взрывающихся звёзд.

Процесс эволюции звёзд

Рис. 1.5. Циклический процесс эволюции звёзд. Вслед за начальным сжатием оболочки звезды происходит её расширение – образование красных гигантов, в которых происходит последовательное сгорание лёгких элементов и превращение их в массивную “многослойную” звезду с железным ядром, которая может взорваться как сверхновая или превратиться в белого карлика. Сверхновая превращается в нейтронную звезду или пополняет веществом межзвёздное пространство. Космические лучи – часть этого вещества.

Взрыв сверхновой – это поистине замечательное событие, не сравнимое по своей энергетике ни с одним достоверно наблюдаемым и “поддающимся” физическим оценкам процессом в окружающем нас мире. Достаточно сказать, что взрыв сверхновой сопровождается выделением энергии, оцениваемой в 10⁵²-10⁵⁴ эрг. Это пока рекордное энерговыделение астрофизических объектов, реально наблюдаемых и достаточно хорошо изученных.
А наше Солнце ближайшая к нам звезда? Ей тоже грозит такая же участь – превратиться в пепел? Ведь даже в Библии (Книга пророка Исайи, 60:19) сказано:

“Не будет уже Солнце служить тебе светом дневным, и сияние Луны – светить тебе”.

И там же:

“И свет Луны будет как свет Солнца, а свет Солнца будет светлее всемеро, как свет семи дней, в тот день”.

    Превращение нашего Солнца в красный гигант   – неминуемо. Однако пройдёт очень много времени, прежде чем это случится. Время горения внешних оболочек звезды (когда выгорают лёгкие элементы) на многие порядки превышает время выгорания более тяжёлых. Сейчас на Солнце сгорает водород и пройдёт очень много времени прежде, чем температура в центре нашей звезды достигнет величин, при которой станет возможным горение более тяжёлых элементов. Оценки показывают, что гравитационного коллапса Солнца следует ожидать не ранее, чем через 5 миллиардов лет. Мы ещё вернёмся к проблеме сверхновых в последующих разделах книги, т.к. именно они ответственны за многие физические явления во Вселенной, оказывающие влияние, в том числе и на жизнь на нашей планете.
    Таким образом, сразу после Большого взрыва, а затем в процессе формирования звёзд и при взрывах сверхновых, во Вселенной происходит превращение вещества – формирование его ядерного состава. Можно отметить, что именно модель Большого взрыва, краткий набросок которой был дан выше, способна описать эволюцию элементов во Вселенной и количественно продемонстрировать их распространённость на сегодняшний день.
    Наиболее распространённым элементом во Вселенной является водород. На втором месте находится гелий – его не более 10% от количества водорода. Многие данные о содержании гелия в различных астрофизических объектах Вселенной свидетельствуют в пользу модели его происхождения в первые минуты после Большого взрыва.
    Вслед за гелием в периодической системе элементов находятся более тяжёлые элементы – литий (Li), бериллий (Be) и бор (В). Эти элементы, в отличие от водорода и гелия, должны скорее разрушаться, чем образовываться, при первоначальных гигантских температурах Вселенной. И действительно, по сравнению с водородом и гелием, их чрезвычайно мало в межзвёздном пространстве и в составе звёзд. Ещё более тяжёлые ядра – вплоть до железа (Fe) - образуются в результате слияния (реакций синтеза) в недрах горящих звёзд. Их относительная распространённость диктуется законами ядерных реакций, приводящих к их формированию, и свойствами самих атомных ядер. Синтез элементов тяжелее железа также происходит в результате ядерных реакций, но отличающихся от реакций характерных для более лёгких элементов. Отсюда видно, что изучение распространённости элементов во Вселенной – один из путей изучения тех физических процессов, которые происходят на разных стадиях её развития. Это – одна из важнейших задач астрофизики.

1.4. Наш мир – темный и светлый, или жизнь в вакууме

“Даже то пространство, где негде сесть,
как звезда в эфире, приходит в ветхость”.

И. Бродский

Прошло около 14 миллиардов лет после Большого взрыва и мы наблюдаем современную Вселенную. Из чего она состоит? Вселенная содержит 10¹¹ галактик и её размер приблизительно10²³ км. Средняя плотность вещества и энергии во Вселенной определяется, в первую очередь, из радиоастрономических наблюдений и с довольно хорошей точностью равна 10^-29 г/см³. Сравните это с первоначальной плотностью Вселенной сразу после Большого Взрыва –
10⁵ г/см³!
Рассмотрим вкратце структуру ближайшей к нам Вселенной - Галактики – среды нашего обитания.

Спиральная Галактика
Рис. 1.6. Спиральная Галактика.

Структура Млечного Пути
Рис. 1.7. Структура Галактики – Млечного Пути с её характерными размерами.

    Наша Галактика – Млечный Путь – принадлежит к так называемым Галактикам спирального типа (S – Галактики), представляющие собой вращающийся диск из водородного газа, пыли и звёзд с ярко выраженными спиральными рукавами (рис. 1.6). Это – сложный астрономический объект, состоящий из ядра, - утолщения в центральной части – балджа (от английского слова “buldge”), гало и собственно самого диска (рис. 1.7). В плотном ядре в центре диска находятся, в основном, старые звёзды и в нём нет газа и пыли. В сердце нашей Галактики находится чёрная дыра (О черных дырах прекрасно рассказано в книге А.М. Черепащука “Черные дыры”).
    Недавно орбитальная рентгеновская обсерватория Chandrа зафиксировала мощную рентгеновскую вспышку в центре Галактики, что позволило определить размер чёрной дыры – не более расстояния от Земли до Солнца.
    Диск Галактики заполнен газом, пылью и, в основном, молодыми звёздами. Поперечник диска имеет размер около 30000 парсек (Пк), балджа – 8000 Пк. В спиральных рукавах диска сосредоточены почти все звёзды и – большая часть газово-пылевой материи.
    Диск окружен сферическим гало. Его размер на порядок превышает поперечный размер диска. В гало находятся редкие звёзды и скопления звёзд – кластеры, насчитывающие многие сотни тысяч звёзд. Кроме этого, в Гало есть тёмная материя (“dark matter”), которая была идентифицирована по гравитационным эффектам. Тёмная материя увеличивает массу Галактики, по крайней мере, в несколько раз.
    Солнце – ближайшая к нам звезда – находится в спирали Ориона на расстоянии ~25000 Пк от центра нашей галактики. Солнце – относительно молодая звезда – ему 5 миллиардов лет. Млечный путь, по крайней мере, вдвое старше, чем Солнце: возраст звёздных кластеров может насчитывать 10 миллиардов лет.
    Общее число звёзд в диске Галактике – 10¹¹ (сто миллиардов). Помимо звёзд Галактика включает и межзвёздную среду. Основным компонентом межзвёздной среды является межзвёздный газ, состоящий в основном (~90%) из водорода и межзвёздной пыли (~1%). В составе межзвёздной среды магнитные поля, электромагнитные излучения. Галактика вращается дифференциально: на периферии скорость её вращения меньше, чем в центральных областях. Период обращения нашей Солнечной системы вокруг центра Галактики составляет приблизительно 200 миллионов лет. Запомним эту цифру. Мы ещё к ней   вернемся.
    Средняя плотность межзвёздного вещества в диске оценивается как 10^-24 г/см³ (грубо – 1 атом водорода на см³). Существуют большие отклонения от этой величины: это – плотные облака, протяжённостью до десятков парсек с плотностями от 100 до 1000 атомов/см³.
    Вещество, находящееся в Галактике в атомарном состоянии под действием ультрафиолетового излучения звёзд ионизируется (нейтральные атомы “теряют” свои электронные оболочки). Так, например, до 90% водорода составляют его ионы – протоны.
    Масса всей Вселенной, а это – оптически яркие звёзды, межзвёздная пыль и газ, молекулярные облака, планеты, сосредоточена в протонах и нейтронах (85% приходится на протоны, а 15% на нейтроны). Нейтроны, будучи нестабильной частицей, существуют только внутри ядер. Всё это составляет так называемую барионную материю.

Структура материи во Вселенной

Рис. 1.8. Структура материи во Вселенной. Вклад барионной материи – не более 5%. Остальное приходится на так называемую небарионную “тёмную материю” и “тёмную энергию”, природа которых – неизвестна.

   Обратимся теперь к проблеме о количественных соотношениях между различными формами материи в современной Вселенной. На рис. 1.8 дан ответ на этот вопрос. Ответ согласно уровню наших знаний на сегодня. Из диаграммы, приведённой на рис. 1.8, видно, что лишь несколько процентов (около 4 %) состава Вселенной относится к тому, из чего, как мы полагаем, образован наш мир. Это – барионная материя. Всё остальное, а это практически 96% - тёмная материя и тёмная энергия – пока малопонятные для нас материальные субстанции Вселенной. Мы знаем, что они определённо существуют. Но мы не знаем, что это такое. Мы только строим гипотезы и пытаемся поставить эксперименты, в надежде доказать их справедливость. Но факт остаётся – у нас пока нет аргументов в пользу окончательного выбора гипотезы, объясняющей состав тёмного вещества и тёмной энергии во Вселенной.
    Тёмная энергия, согласно современным воззрениям, - это как раз та сила, которая заставляет Вселенную расширяться. Если привычная нам гравитация заставляет тела притягиваться друг к другу, то тёмная энергия – скорее антигравитация, способствующая разлёту тел во Вселенной. По-видимому, сразу после Большого взрыва расширение Вселенной происходило с замедлением, но после этого “тёмная энергия” преодолела гравитацию и вновь началось ускорение – расширение Вселенной. Это - не гипотеза, a экспериментальный факт, обнаруженный из излучения красного смещения - уменьшения яркости далёких сверхновых звёзд: они ярче, чем им следовало бы быть из картины замедления расширения Вселенной. Эффект “красного смещения” – регистрируемое наблюдателем увеличение длины волны спектра наблюдаемого источника (именно поэтому звезды кажутся ярче) – одно из замечательных экспериментальных астрономических фактов. Космологическое “красное смещение” наблюдаемых галактик было предсказано А. Эйнштейном и является по сей день одним из убедительных доказательств расширяющейся Вселенной.
    Окунаясь в эпоху ранней космологии, можно вспомнить, что именно великий А. Эйнштейн, стараясь сохранить статичность Вселенной, ввёл, ставшей исторической, космологическую константу - уравновешивающую силы притяжения небесных тел. Но вслед за открытием “красного смещения” он вычеркнул константу из своих уравнений. Видимо, А. Эйнштейн был неправ, отказавшись от неё: Ведь – это есть та тёмная энергия, которая интригует современных астрофизиков.
    Не ясно, повезло или нет человечеству, но оно живёт в период развития Вселенной, когда тёмная энергия преобладает, способствуя расширению. Но этот процесс, вероятно, не вечен и через временной отрезок, сопоставимый с возрастом Вселенной (10-20 миллиардов лет) история может повернуть вспять – наш мир начнёт сжиматься. Наступит или нет момент Большого Схлопывания – альтернативы Большого взрыва, безусловно, большой вопрос современной космологии.
    Учёные сумели доказать существование расширяющейся Вселенной – это красное смещение оптического излучения Галактики и реликтовое электромагнитное излучение – реликтовые фотоны, о которые пойдёт речь ниже. Возможно, учёным удастся в будущем установить и существование “предвестников” надвигающегося сжатия Вселенной.
   Другой экспериментальный факт – изучение отклонения света от далёких галактик в гравитационных полях Вселенной привёл астрофизиков к выводу о существовании скрытой – тёмной материи – где-то вблизи нас. Именно эта тёмная материя изменяет траектории световых лучей на большую величину, чем это следовало ожидать в присутствии лишь видимых близлежащих галактик. Учёные изучили распределение на звёздном небе более 50000 галактик в попытке построить пространственную модель структуры тёмной материи. Все полученные результаты неумолимо свидетельствуют в пользу её существования, причём Вселенная – это в основном и есть тёмная материя. Современные оценки говорят о величине около 80%. Здесь мы вновь повторим – нам неизвестно, из каких частиц состоит эта тёмная материи. Учёные лишь предполагают, что она состоит из двух частей: пока неизвестных каких-то экзотических массивных частиц и физического вакуума.
   Мы ещё вернёмся к этой проблеме, а пока обратимся вновь к привычной для нас формы вещества, соcтоящей из барионов (протонов и нейтронов) и электронов – “барионной материи”. О ней мы знаем гораздо больше. Более чем за столетний период истории развития физики – от открытия элементарных частиц и строения атома до результатов исследований в этой области, а также в астрофизике, наука получила в своё распоряжение множество новых результатов о строении привычного нам вещества.

1.5. “Большой взрыв” на Земле

“Время больше пространства.
Пространство – вещь”.

И. Бродский

    Является ли эта картина первых мгновений жизни Вселенной реалистичной? Что могут представить физики в качестве её доказательств? Здесь надо отвлечься от эпохи Большого взрыва и вспомнить другую эпоху – середину прошлого века.
    Конец Второй мировой войны ознаменовался другим взрывом – атомной бомбы. Не затрагивая военное значение этого исторического момента, можно сказать для физики это явилось началом развития мощного направления, активно развивающегося и до сих пор, - физики микромира. Весь послевоенный период развития физики – это бурный натиск на изучение структуры вещества. И немалую роль здесь сыграли атомные проекты СССР и США. Именно благодаря им, ядерная физика, а затем и физика высоких энергий, изучающая элементарные частицы, получили мощный импульс своему развитию.
    Чтобы проникнуть в глубину материи и изучить её внутреннее строение, нужно создать большие концентрации энергии. Чем меньше объект изучения, тем больше требуется энергии, чтобы достичь его – изучить его характеристики. Это следует из квантовой механики, один из основополагающих законов которой – закон Планка, гласит:

Е = h.

    Это уравнение связывает энергию Е частицы с частотой волны через постоянную, названную именем М. Планка – автором этого закона. Этот закон подчёркивает волновые свойства материального объекта частицы, обладающей микроразмерами.
    Кварки и лептоны имеют размер менее 10^-16 см. Согласно Планку для “внедрения” в такие размеры необходимы гигантские энергии, которые требуют создания циклопических по размерам установок на Земле. Это ускорители, которые разгоняют частицы до необходимых энергий. Они стали основным инструментом исследования внутренней структуры ядра и частиц и их взаимодействий. Именно с развития атомных проектов в двух крупнейших странах мира и началось строительство гигантских ускорителей для изучения структуры материи.
    Наиболее мощный на сегодня ускоритель – это Tevatron в Fermilab, США, – коллайдер, сталкивающий протоны и антипротоны с энергией 1 ТэВ (1 ТэВ = 10¹⁴ эВ, или в системе неподвижной мишени – около 2 Пэв) внутри кольцевого туннеля диаметром около 6 км. А вступающий в строй в 2006 г. ускоритель LHC (Large Hadron Collider) в Европейском центре космических исследований (CERN), в Швейцарии (рис.1.9), достигнет максимальных энергий сталкивающихся частиц в 14 ТэВ ( около 100 ПэВ в системе неподвижной мишени). Диаметр кольца этого ускорителя сопоставим с размером Москвы – около 27 км. Энергии, достижимые на современных ускорителях, достаточно, чтобы изучать частицы с размерами, характерными для фермионов и бозонов, – 10^-16 см и менее. Таким образом, физика микромира – это физика высоких энергий.

Большой адронный коллайдер

Рис. 1.10. Строящийся в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN) гигантский коллайдер – ускоритель сталкивающихся частиц. Его подземный туннель занимает гигантскую площадь: он будет иметь диаметр около 27 км (слева внизу – Женевский аэропорт). Максимальная энергия протонов (в системе неподвижной мишени) составит ~10¹⁷ эВ. Вверху слева показан один из детекторов – ATLAS. На фоне человека и динозавра читатель легче может представить его гигантские размеры. Он будет регистрировать новые частицы, происхождение которых может быть связано с ранней фазой развития Вселенной.

    Конечно, возможности наземной физики высоких энергий не безграничны. Вряд ли в ближайшем будущем в ускорительных экспериментах достижимы значительно более высокие энергии, чем те, которые предполагается получить на LHC (100 ПэВ).
    А могут ли вообще в природе существовать частицы с энергиями, превышающими “ускорительные”? Ответ – да. Сама природа нам предоставила возможность иметь дело с частицами поистине фантастических энергий. Оказалось, что во Вселенной существуют “природные” ускорители, разгоняющие частицы до энергий в миллионы раз превышающие возможности наземных установок.
    Эти частицы – космические лучи. О них и пойдёт речь далее.