Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор
Шрифт:
При температуре 0,7 МэВ и ниже (1010–109 К) термодинамическое равновесие между протонами и нейтронами, существовавшее до этого, нарушается и отношение концентрации нейтронов и протонов застывает на значении 0,19. Начинается синтез ядер дейтерия, гелия, лития. Момент начала такого процесса (который называется первичным нуклеосинтезом) от «рождения мира» – около 1 секунды. Примерно через 3 минуты после рождения Вселенной температура падает до значений, при которых синтез ядер уже невозможен, и химический состав вещества остается неизменным до момента рождения первых звезд.
Таким образом, для дозвездного вещества (по числу атомов) предсказывается: H (75 %), 4He (25 %), D (3 · 10–5), 3He (2
Важные моменты в ранней Вселенной приведены в таблице
Важной эпохой в эволюции Вселенной является эпоха рекомбинации водорода. Это произошло через 300 000 лет после начала расширения. Процесс состоял в том, что отдельные протоны и электроны объединились в атомы. Такая среда становится прозрачной для электромагнитного излучения, которое далее расширяется независимо, остывая при этом в соответствии с фридмановским законом. Как следствие, в наше время должно наблюдаться остаточное излучение, спектр которого такой же, как спектр абсолютно черного тела, и это излучение должно быть в высшей степени изотропно.
В 1964 году американские ученые Арно Элан Пензиас и Роберт Вилсон, испытывая чувствительную радиоантенну, обнаружили очень слабое фоновое микроволновое излучение, от которого никаким образом не могли избавиться. Его температура оказалась равной 2,73 К, что близко к предсказанной Гамовым величине в модели горячей Вселенной. Из экспериментов по исследованию изотропии было установлено, что источник микроволнового фонового излучения не может находиться внутри Галактики, так как тогда должна была бы наблюдаться концентрация излучения к центру Галактики. Источник излучения не мог находиться и внутри Солнечной системы, так как наблюдалась бы суточная вариация интенсивности. В силу этого был сделан вывод о внегалактической природе излучения.
Тем самым гипотеза горячей Вселенной получила, пожалуй, самое веское наблюдательное основание, после чего в ней уже мало кто сомневается. За это открытие Пензиас и Вилсон в 1978 году получили Нобелевскую премию по физике.
Расскажем о реликтовом излучении немного больше. Действительно, его спектр соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 2,73 К. Максимальная интенсивность приходится на частоту 160,4 ГГц, что соответствует длине волны 1,9 мм (микроволновое излучение).
Обсуждая основы СТО и ОТО, мы заостряли внимание на том, что в этих теориях в общем случае нельзя выделить в чем-то особую систему отсчета. Однако решение для Вселенной – это уже не общий случай, а реликтовое излучение в силу своей всеобщности и изотропии вполне может играть роль такой выделенной системы отсчета. Фактически оно уже играет роль «каркаса», относительно которого проводят измерения во Вселенной. Существует так называемая дипольная анизотропия. Оказывается, в одной части неба реликтовое излучение чуть теплее, в противоположной – чуть холоднее, разница составляет 6,71 мК (милликельвин). Этот эффект вызван доплеровским смещением частоты из-за нашей собственной скорости относительно системы отсчета, связанной с реликтовым излучением. Он соответствует движению Солнечной системы по направлению к созвездию Девы со скоростью 370 км/с. Если учесть этот фактор, то все равно
окажется, что реликтовое излучение изотропно лишь до 0,01 %. Эта анизотропия сейчас хорошо регистрируется и анализируется, а ее изучение оказывается очень важным для изучения эволюции возмущений во Вселенной в целом.
Сразу после рекомбинации еще не было никаких массивных тел, космических объектов: вещество было рассеяно во Вселенной почти равномерно. Как же из однородной
По современным представлениям раньше сформировались наименее массивные объекты. Сначала образовались так называемые первые звезды, возможно это было уже через 30 млн лет после Большого взрыва. Затем – галактики и скопления галактик.
Как же происходило формирование крупномасштабной структуры? Выделялись крупные неоднородности с массой около 1015 М, которые несимметрично (что важно) сжимались с образованием плоских объектов, которые назвали «блинами». Это прообразы скоплений галактик. В пространстве блины расположены случайным образом (хаотично). Пересечения блинов образуют сверхскопления в виде нитей, см. рис. 9.10, в результате чего формируется ячеистая структура с размерами ячеек около 50–100 Мпк и толщиной стенок 3–4 Мпк. Образование блинов происходило примерно 13 млрд лет назад.
Эти теоретические выводы блестяще подтвердились. Перечисленные образования были обнаружены в 80-е годы прошлого столетия в результате изучения пространственного распределения галактик.
Рис. 9.10. Крупномасштабная структура Вселенной
Представленная картина образования структуры имеет место для фридмановской стадии расширения. Сейчас мы фактически перешли на стадию доминирования темной энергии. Предположим, что давление и плотность темной энергии не меняется со временем, т. е. она описывается космологической постоянной. Тогда из общих уравнений для флуктуаций в космологии следует, что рост возмущений не происходит и их размер неизменен. Это означает, что для этого предположения теория не допускает структур больше ныне наблюдаемых, тем более, этот же вывод будет и для фантомного уравнения состояния. В случае квинтэссенции, ситуация не настолько детерминирована.
В целом модель горячей Вселенной подтверждена и является общепризнанной. Однако постоянно появляются новые данные, которые требуют осмысления и коррекции основной модели, постоянно возникают вопросы, которые требуют ответов.
Глава 10
Гравитационные волны
Электромагнитные волны
Развивая рассказ о создании новой теории гравитации ОТО, мы все время возвращались к идеям Ньютона и результатам его теории. Сейчас, начиная рассказ о гравитационных волнах, мы нарушим эту традицию и обратимся к электромагнетизму Максвелла. Аналогия с электромагнитными волнами поможет нам лучше понять свойства гравитационных волн. В 1865 году, почти сразу после построения своих уравнений, Максвелл обнаружил, что они имеют волновое решение. Электромагнитное поле может существовать и распространяться как в вакууме, так и в среде независимо от источников (зарядов). Эти выводы он опубликовал. И, извините за каламбур, это вызвало, буквально, волнения среди физиков того времени. Если есть волновое решение, тогда должны быть волны. Никто не имел понятия, что они должны собой представлять. Однако задача была очевидной – их необходимо обнаружить. Представить, что свет – это тоже электромагнитные волны, тогда не могли.