Мыслящая Вселенная

Мизун Юрий Гаврилович

В том случае, если масса звезды больше 1,2 массы Солнца, то в результате сжатия плотность ее вещества станет еще больше. При такой плотности начнут протекать ядерные реакции, которые поглощают много энергии. Поэтому звезда начинает стремительно сжиматься. Такое сжатие может закончиться ядерным взрывом, он называется вспышкой сверхновой звезды. В результате ядерного взрыва звезда сбрасывает оболочку и превращается в нейтронную звезду. В центре звезды плотность достигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре. Примерно такова плотность атомного ядра. Собственно, специалисты считают, что нейтронная звезда есть что-то вроде атомного ядра размером в несколько километров. Ядерные частицы-нуклоны очень тесно упакованы в нейтронной звезде.

Если масса звезды не превосходит две массы Солнца, то нук-лонный газ способен квантовыми силами воспрепятствовать дальнейшему сжатию звезды. Тогда нейтронная звезда

перестанет сжиматься и будет существовать в этом качестве. Нейтронные звезды считают холодными. Но на самом деле в ее центре температура достигает сотен — миллионов градусов, а на поверхности миллиона градусов. Тут нет никакого противоречия. При таком состоянии вещества как у нейтронной звезды понятие температуры является формальным, вычислительным и не имеет ничего общего с тем, к которому мы привыкли в повседневной жизни. Собственно, таково положение не только на нейтронной звезде, но даже в нашей атмосфере на высоте в сотни километров. Там ситуация обратная — плотность атмосферного газа столь мала, что можно говорить о вакууме. При такой малой плотности газа, как и при чрезмерно большой плотности, как в нейтронных звездах, температура является чисто вычислительной.

НЕЙТРИНО ВО ВСЕЛЕННОЙ

Нейтрино — это элементарная частица, обладающая огромной проникающей способностью. Существование такой частицы физик В. Паули предсказал еще в 1930 году. Эта частица понадобилась ученому для того, чтобы объяснить, куда девается часть энергии при бета-распаде. Бета-частица — это электрон. Когда происходит радиоактивный распад ядер с испусканием электронов, один химический элемент превращается в другой (так, тритий превращается в гелий). Но измерения показывают, что часть энергии при этом утрачивается, не регистрируется. Эту энергию уносит нейтрино, которое очень слабо взаимодействует с веществом и поэтому остается незамеченным физическими приборами. Проникающая способность нейтрино действительно фантастична — оно пролетает сквозь Землю, Солнце и вообще сквозь любые небесные тела без каких-либо проблем. Это и хорошо и плохо. Плохо потому, что для того, чтобы изучить нейтрино, надо его поймать. А сделать это трудно. А хорошо потому, что нейтрино может принести нам информацию из самых недоступных мест, например из самой центральной области Солнца и других звезд.

Далее мы будем говорить о нейтрино вообще, хотя существует три типа разных нейтрино. Это нейтрино электронные, мюонные и тау-нейтрино. Каждый тип нейтрино участвует только в определенных, специфических для него реакциях.

Ученые изучали нейтрино многие десятилетия. Они не сомневались, что нейтрино играет очень важную роль во Вселенной. И действительно, оказалось, что нейтрино является главной частицей во Вселенной. Академик М. Марков, специалист по физике нейтрино, так писал об этой частице: «Современнику трудно гадать, какое истинное место займет нейтрино в физике будущего. Но свойства этой частицы столь элементарны и своеобразны, что естественно думать, что природа создала нейтрино с какими-то глубокими, пока для нас не всегда ясными «целями».

Вселенная имеет ячеистую структуру, похожую на пчелиные соты. Это значит, что в сверхскоплениях галактик сами галактики и их скопления сосредоточены в тонких слоях, которые образуют стенки ячеек. Внутренность ячеек практически пуста. Если сравнить эту структуру с пчелиными сотами, то можно сказать, что в ребрах этих «сот» плотность галактик особенно велика.

Наблюдения показывают, что движение галактик в их скоплениях происходит таким образом, как будто в пространстве между галактиками имеется какая-то невидимая масса. Эта масса своим тяготением оказывает влияние на движущиеся объекты. Только по этим движениям мы можем судить об этой массе. Никак иначе она себя не проявляет. Это скрытая, невидимая масса. По-видимому, она окружает и большие галактики. Об этом свидетельствует характер движения карликовых галактик, а также других объектов, находящихся вокруг них. Ученые, однако, рассчитали, что в областях скопления галактик этой скрытой массы должно быть в 20 раз больше, чем той массы, которую можно видеть, наблюдать и которая сосредоточена в самих галактиках.

Во Вселенной нейтрино остались с момента Большого Взрыва, а точнее, с того начального периода расширения, когда горячее плотное вещество имело очень высокую температуру и было непрозрачным не только для света, но и для нейтрино. Тогда происходили быстрые реакции превращения друг в друга нейтрино, электронов, электромагнитных квантов и других элементарных частиц. После первых десятков секунд с начала расширения Вселенной фотонов в единице объема было примерно втрое больше, чем нейтрино (вместе с антинейтрино). За все время эволюции Вселенной это

отношение три к одному сохраняется неизменным. Оно справедливо и для настоящего времени. Фотоны, возникшие во время Большого Взрыва, регистрируются и сейчас. Это реликтовое излучение. Потоки нейтрино (реликтового нейтрино) также есть, но их измерить трудно. Правда, ученые могут уверенно предсказать, сколько должно быть реликтовых нейтрино. Расчеты показывают, что в каждом кубическом сантиметре должно быть (содержится) около 150 реликтовых нейтрино. Реликтовых фотонов в этом же объеме содержится около 500. По формуле Эйнштейна энергию можно пересчитать в массу. Оказалось, что плотность массы реликтового электромагнитного излучения примерно в 2000 раз меньше, чем средняя плотность обычного вещества во Вселенной. Это пренебрежимо мало. Средняя плотность массы реликтового нейтрино (пересчитанная из его энергии) также пренебрежимо мала.

У нейтрино кроме массы расчетной имеется и некоторая масса покоя. Она была измерена и для электронных нейтрино составляет примерно 35 эВ (электронвольт). Это значит, что электронные нейтрино, поскольку их масса покоя не равна нулю, не обязаны двигаться со скоростью света. Скорость их движения может быть меньше скорости света. Более того, они не только могут двигаться с любой скоростью, но могут вообще находиться в состоянии покоя.

Проведенные эксперименты показали, что нейтрино в 20 тысяч раз легче электрона и в 40 миллионов раз легче протона. Хотя масса покоя нейтрино и очень мала, его во Вселенной очень много. Мы говорим о реликтовых нейтрино. В кубическом сантиметре нейтрино в среднем почти в миллиард раз больше, чем протонов. По сути, нейтрино является главной составной частью массы материи во Вселенной. Расчеты показывают, что средняя плотность электронных нейтрино во Вселенной примерно в 10–30 раз больше плотности всего другого, «не нейтринного» вещества. Это значит, что в настоящее время именно тяготение нейтрино является главной действующей силой, которая определяет законы расширения Вселенной. Все остальное (кроме нейтрино) составляет только 3 — 10 % «примеси» к основной массе Вселенной — к массе нейтрино. А раз так, то мы можем утверждать, что живем в нейтринной Вселенной.

После Большого Взрыва Вселенная расширяется. Это расширение будет происходить до тех пор, пока средняя плотность во Вселенной не достигнет критического значения. Ученые считают, что критическая плотность равна 10–29 г/см3. Если не учитывать наличия нейтрино, то средняя плотность во Вселенной примерно в сто раз меньше критического значения. Но если нейтрино учесть, то она приближается к критическому пределу. Когда она его достигнет, то должно начаться сжатие Вселенной. Проследим роль нейтрино при формировании структуры Вселенной.

После Большого Взрыва в начале расширения Вселенной вещество представляло собой почти однородную расширяющуюся горячую плазму. Затем из-за гравитационной неустойчивости эта плазма стала фрагментироваться, сбиваться в комки. Это положило начало скоплениям галактик. Но во всех этих процессах надо учитывать роль нейтрино, поскольку главным действующим лицом здесь выступает сила тяготения. А сила тяготения, вызванная нейтрино, намного больше, чем сила тяготения, обусловленная всем другим, не нейтринным веществом Вселенной. Роль нейтрино в процессе фрагментации вещества Вселенной выглядит примерно так.

Вскоре после начала расширения Вселенной в распределении плотности вещества во Вселенной были случайные, очень маленькие неоднородности. В это время нейтрино имеет очень высокую энергию и проходит свободно сквозь любые сгустки вещества. Скорость нейтрино в это время приближается к скорости света. Поэтому нейтрино в определенной мере выравнивают неоднородности. При этом распределяются нейтрино более равномерно. Но это происходит только в малых пространственных масштабах в районах, сравнительно малых по линейным размерам нейтринных сгущений. Это и понятно, поскольку из сравнительно мелких сгущений нейтрино успевают вылететь и перемешаться с другими нейтрино достаточно быстро. При этом усредняются, сглаживаются все неоднородности. С течением времени все большие и большие (по размерам) неоднородности нейтрино успевают «рассосаться». Все это возможно только благодаря тому, что у нейтрино сохраняется очень большая скорость, которая близка к скорости света. Но с течением времени скорость нейтрино постепенно уменьшается. Уже примерно через 300 лет после расширения Вселенной скорость нейтрино становится значительно меньше скорости света. Поэтому нейтрино уже неспособно (ему не хватает скорости) вылетать из комков большого размера. Поэтому такие комки, плотность вещества в которых сначала только немного превышает среднюю, могут усиливаться тяготением, сгущаться и расти, пока среда не распадется на отдельные сжимающиеся облака из нейтрино.