20

ЛЕКЦИЯ 14

Содержание

1. Вселенная. Свидетельства Большого Взрыва.

2. Первые мгновения Вселенной.

3. Барионная асимметрия. Отсутствие антивещества во Вселенной.

4. Зв¸здная эра. Ядерные реакции в зв¸здах.

1. Вселенная. Свидетельства Большого Взрыва.

Согласно концепции Большого Взрыва (Гамов, Лемэтр), примерно 12 млрд лет назад вещество Вселенной было сконцентрировано в очень малом объ¸ме и имело огромную плотность, температуру и давление. Происходило стремительное (взрывное) расширение Вселенной, сопровождаемое е¸ 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 (без вывода):

,. (14.1)

Из этих соотношений видно, что при t=1 сек Вселенная имела колоссальную плотность (10⁵ ã/ñì³) и температуру (10¹⁰ К). Для сравнения укажем, что температура в центре Солнца 1.510⁷ Ê.

Расширение Вселенной следует из анализа красного смещения спектров видимого излучения галактик (т.е. увеличения длин волн излучения) за сч¸т эффекта Допплера. Установлено, что величина красного смещения и, следовательно, скорость разбегания галактик увеличивается для более удал¸нных галактик. Скорость разл¸та v двух галактик и расстояние R между ними связано законом Хаббла:

v=HR, (14.2)

ãäå H - постоянная Хаббла. Т.е. скорость разл¸та галактик прямо пропорциональна расстоянию между ними. Такое разбегание галактик является свидетельством расширения Вселенной. Зная численное значение постоянной Хаббла и считая, что она не меняется со временем, можно оценить момент времени в прошлом, когда все галактики были практически в одной точке. Учитывая, что H=(60-80) км/(секмегапарсек) и 1 мегапарсек=3.110¹⁹ км, получаем для времени t_o, прошедшего после Большого Взрыва, следующее значение

t_o (12-16) ìëðä ëåò. (14.3)

Состояние Вселенной в настоящее время характеризуется величинами, привед¸нными в таблице 14.1.

Таблица 14.1

Характеристики Вселенной в настоящее время

Возраст to	(10-14)10^9 ëåò
Поперечный размер (горизонт видимости) 2Ro	210^28ñì
Средняя плотность вещества â	10^-30-10^-29 ã/ñì^3
Полная масса вещества (включая скрытую материю)	10^55 - 10^56 ã
Полное барионное число (число нуклонов)	10^78
Барионная плотность Á	310^-31 ã/ñì^3
Доля антивещества	< 10^-4
Постоянная Хаббла H	(60-80) км/секмегапарсек
Температура реликтового (фонового) излучения	2.7280.002 K
Плотность реликтовых фотонов	412 ñì^-3
Энергетическая плотность реликтовых фотонов
Отношение числа реликтовых фотонов к числу барионов /nÁ	10^9 : 1
Плотность видимого вещества âèä	10^-32-10^-31 ã/ñì^3
Плотность скрытой материи ñì	(0.9-0.99)â
Критическая плотность ê	10^-29 ã/ñì^3
Распространенность атомов (ядер): водород - гелий - остальные -	93% 6.3% <1 %

1 мегапарсек = 3.110¹⁹ êì

Барионы, упомянутые в таблице 14.1, это нуклоны - на 80-90% протоны и на 10-20% нейтроны. Последние связаны, главным образом, в ядрах гелия.

Среднюю плотность вещества _â, заполняющего нынешнюю Вселенную, оценивают на уровне 10^-30-10^-29 ã/ñì³. Это вещество подразделяют на видимое, которое проявляется через эмиссию и поглощение фотонов (на 98% видимое вещество сосредоточено в зв¸здах и на 2% - в межзв¸здной пыли и газе), и невидимое (скрытое или темное), о существовании которого свидетельствуют только гравитационные эффекты. Плотность видимой материи оценивается более определ¸нно, однако на е¸ долю приходятся проценты или доли процента общей массы Вселенной. До сих пор не ясно, достаточно ли вещества во Вселенной, чтобы е¸ расширение когда- либо сменилось сжатием. Условием этого является превышение плотности вещества критического значения _ê10^-29 ã/ñì³, ò.å. _â=_âèä+_ñì>_ê. Важную роль в этих оценках играет скрытая материя, природа которой не ясна. Доля барионов в этой материи незначительна. Возможно, основную (небарионную) часть скрытой материи составляют легчайшие стабильные нейтральные суперчастицы (табл.13.3), например, нейтрино.

Вселенная в больших масштабах однородна и изотропна. Она содержит не менее 10¹¹ галактик. Наша галактика - Млечный Путь - содержит 10¹¹ çâ¸çä.

Существует несколько прямых следствий событий дал¸кого прошлого, подтверждающих концепцию Большого Взрыва. Эти явления называются реликтовыми. Основные среди них следующие:

1. Микроволновое фоновое излучение (температура 2.7 К).

2. Высокая распростран¸нность гелия (20-25% общей массы).

3. Соотношение между числом фотонов и барионов (10⁹:1 â

пользу фотонов).

Наиболее убедительным подтверждением теории Большого Взрыва явилось открытие в 1965 г. Вильсоном и Пензиасом предсказанного Гамовым в 1948 г. реликтового микроволнового излучения. Форма спектра этого излучения соответствует излучению абсолютно ч¸рного тела с температурой 2.7 К. Это излучение 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 приходится один протон и один электрон (Вселенная электрически нейтральна).