Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее
Шрифт:
Теперь же нас интересует нечто, относящееся к совсем ранней Вселенной. Вопрос в следующем - каковы собственно локальные проявления гравитации до эпохи адронного синтеза? Не приводит ли гравитационная конденсация к образованию каких-то реликтовых структур, неизвестного нам типа, возможно целых эволюционных ветвей материи, просто не замеченных пока современным экспериментом и не разработанных как следует теорией?
Кое-что на эту тему уже обсуждалось, например, гипотеза Зельдовича-Новикова о формировании реликтовых черных дыр очень малого размера и колоссальной плотности. Согласно теории Хокинга, некоторые из этих дыр могли бы проявиться как раз в современную эпоху, демонстрируя завершающую стадию своего испарения.
Задачу можно ставить и несколько шире - почему
Начнем опять-таки с эпохи адронного синтеза. Очень вероятно, что подавляющее большинство кварков стягиваются при t ~ 10-5 с в отдельные адроны. Но не может ли вести гравитационная конденсация кваркового вещества в объеме порядка 3 км (R ~ ct ~ (3.105 км/с)х10-5 с ~ 3 км) к образованию реликтовых кварковых звезд примерно такого же размера? Вообще, не формируются ли на этой стадии - пусть с очень небольшой вероятностью кварковые структуры, сильно отличные от известных ныне адронов?
Суть дела в том, что современный эксперимент по столкновениям адронов при высоких энергиях имеет дело с очень малыми количествами кваркового вещества, причем уже организованного в адронную форму. В результате соударений рождаются снова адроны. Но условия реакций здесь совсем иные, чем в ранней Вселенной. Область взаимодействия окружена вакуумом, а не веществом сверхъядерной плотности. Возможно, в связи с этим и резко подавлены каналы образования чего-то отличного от известных адронов, и более крупные кварковые структуры просто не могут проявиться при современных энергиях и объемах участвующего в реакциях кваркового вещества.
Проблема кварковых звезд и макроскопических капель кварковой жидкости уже обсуждается современной теорией, хотя перспективы прямого эксперимента в этой области сопряжены с огромными трудностями. Однако впереди маячит нечто очень важное: новая картина ранней Вселенной, гораздо менее унылая, чем однородный горячий бульон точечных частиц. Не ухватились ли мы лишь за сравнительно поздние ветви космогонической эволюции, упуская из вида значительное многообразие ее самых ранних форм?
Перейдем теперь к эпохе, когда могли формироваться гипотетические мини-дыры массой порядка 1015 г, способные и сегодня завершать свое испарение. Предположим, что наряду с ними при t ~10-23 c конденсируются какие-то немного менее массивные объекты колоссальной плотности ( ~ 1052 г/см3 и радиусом R ~ 10-13 см, способные пережить самые горячие времена и сохраниться в нынешней Вселенной.
И сразу же возникает один очень интересный аспект микрозвезд гравитационные атомы.
Уже давно теоретики обратили внимание на одну серьезную несправедливость - кулоновские электрические силы легко связывают, скажем, электрон и протон в атом,* тогда как гравитационным силам это как бы не удается. Дело, конечно, в их исключительной слабости. Элементарным частицам невозможно образовать сколь-нибудь устойчивую атомную систему за счет потенциала тяготения. Наглядно это выражается в том, что, скажем, размер гравитационного атома из пары ?-мезонов достигает радиуса наблюдаемой Вселенной (h2/Gm?3 ~ c/H ~ RВсел ,
где Н - современное значение функции Хаббла ). Поэтому, вероятней всего, строить такие атомы без учета качественно новых типов звезд и элементарных частиц не имеет смысла.
*Размер такого атома определяется величиной rB = h2/e2me ? 10-8 см, именуемой Боровским радиусом, е - электрический заряд электрона и протона, me - масса электрона. Размер гравитационного атома дается аналогичной формулой, где е2 заменяется ньютоновским выражением Gm1m2.
Оказывается, что микрозвезды массой 1015 г как раз и могут связываться с электроном в водородоподобную систему, причем удается вычислить тонкие различия в спектре такого атома и обычного водорода, где роль ядра играет протон. Не исключено, что лишь по этим спектральным различиям и следует искать новые атомы. Благодаря недавнему обнаружению очень малой массы покоя у электронного нейтрино можно построить модель, в которой гравитационный атом с орбитальным
Все эти идеи довольно любопытны, однако главная проблема относится к строению микрозвезд. Один из очевидных подходов - аналогия с нейтронными звездами, иными словами, предположение о том, что микрозвезда состоит из холодного газа частиц, подобных нейтронам. Проблема, однако, в том, что эти частицы, супербарионы, чрезвычайно массивны - примерно в миллиард раз массивней нейтрона, и их поиск на ускорителях пока дело неблизкого будущего*.
* Все дело именно в массивности частиц, из которых состоит гипотетическая микрозвезда! Обычно полагают, что в очень ранней и горячей Вселенной не могут образовываться никакие многочастичные конденсации, кроме первичных черных дыр. Представление основано на том простом факте, что ультрарелятивистские частицы горячего бульона непременно убегут из любой конденсации, чей радиус превышает Rg. Это так, если предполагать, что вплоть до какого-то момента Вселенная состоит из одних только ультрарелятивистских частиц, чья кинетическая энергия много больше энергии покоя (фактически: кТ (mс2), т. е. начальная Вселенная является "чисто горячей". На самом деле даже в очень ранние моменты во Вселенной может присутствовать "холодная компонента" - небольшая доля достаточно массивных и потому относительно медленных частиц. Действительно, в момент t, когда температура Вселенной Т ~ v tP/t , частицы с массой покоя m ~ kT/c2 ~ mР v tP/t перестают быть ультрарелятивистскими - их кинетические энергии того же порядка, что и энергия покоя mc2. В пределах горизонта R ~ ct они могут конденсироваться в микрозвезду с массой М ~ (R3 ~ (P (tP/t)2(ct)3 ~ mР (tP/t) ~ mР3/m2. Такая микрозвезда представляет собой возмущение в среднем однородного фона плотности материи. В частности, при t ~ 10-23 с гипотетические супербарионы с m ~ 10-15 г могут формировать микрозвезды с М ~ 1015 г. Тепловые скорости супербарионов должны стать заметно меньше с, и для достаточно компактной микрозвезды - меньше критической скорости убегания. Разумеется, обрастать атмосферой из более легких частиц (и, например, формировать гравитационные атомы) такая микрозвезда сможет лишь много позже - при достаточном падении общей температуры.
Было бы любопытно выяснить - не является ли "холодная компонента" источником самых ранних возмущений плотности материи, начиная, быть может, с t ~ tP , когда способны формироваться микрозвезды планкеонного масштаба. Проблема "холодной компоненты", разумеется, будет решаться экспериментально - во-первых, необходимо искать частицы очень больших масс (на 10 и более порядков тяжелее протона), во-вторых, непосредственно искать реликты типа микрозвезд по их прямым и косвенным проявлениям, имея в виду, что относительные концентрации этих объектов могут быть крайне малы.
Один из примеров образования реликтовых конденсаций за счет описанного механизма уже известен, хотя он и относится к сравнительно холодным эпохам. Речь идет о формировании облаков из реликтовых нейтрино с ненулевой массой покоя при t ~ tP(mР/m?)2 ~ 1010 с ~ 300 лет. В эту эпоху (Т~105К) нейтрино с m? ~ 30 эВ уже не ультрарелятивистские. Масса нейтринного облака М ~ mР3/ m?2 ~ 1015 г, а начальный радиус R ~ lP(mР/ m?)2 ~ 100 пс. Такая гигантская конденсация, как мы увидим в гл. 9, Должна играть определяющую роль в формировании самых крупных структурных единиц Вселенной - сверхскоплений галактик.
Но уж если фантазировать, так до конца!
Опять-таки проблема микрозвезд толкает нас к планковской области. Попробуем подумать, какой может быть предельно малая звезда?
Очень интересная оценка возникает при попытке сконструировать звезду из холодного газа частиц, каждая из которых эквивалентна самой звезде. Оказывается, такой самозашнурованный объект будет состоять из планкеонов и сам будет планкеоном.
Не сшиваются ли таким образом две вроде бы совершенно несопоставимых группы космического населения - элементарные частицы и звезды? Не является ли планкеон одновременно чем-то вроде минимальной звезды и максимальной частицы?