ЧАСТЬ ВТОРАЯ ВСЕЛЕННАЯ РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ

Около 15 миллиардов лет тому назад произошел Большой Взрыв, охвативший существовавшее в то время вещество, которое было равномерно распределено в небольшом пространстве и имело огромные плотность и температуру. Наиболее плотно вещество упаковано в атомных ядрах. Там плотность его составляет 10–15 г/см3. Сейчас известно, что плотность вещества до Большого Взрыва была во всяком случае больше плотности вещества в атомных ядрах по крайней мере в 10108раз. Именно такой плотности достигло вещество спустя 10–43 секунды после Большого Взрыва. Но за это время после начала Взрыва вещество успело уменьшить свою плотность. Значит, до Взрыва оно имело бо́льшую плотность.

Горячее вещество, которое в конце концов взорвалось, состояло из большого количества фотонов, имеющих большие энергии, но замурованных в вещество в результате столь огромной его плотности. Кроме того, в нем содержались протоны и нейтроны, которые непрерывно стремились к объединению и образованию дейтерия. Этому препятствовали фотоны, разбивая дейтерий на протон и нейтрон. Этот процесс может идти только при очень высокой температуре.

Известно, что температура вещества до Взрыва и сразу после него превышала десятки тысяч миллиардов градусов по Кельвину (или просто кельвинов). Взрыв разбросал вещество во все стороны, оно стало разбегаться с огромными скоростями, порядка 250 километров в секунду. Так с момента Большого Взрыва начала существовать горячая расширяющаяся Вселенная, в которой мы живем. Горячее вещество до Взрыва не содержало атомов химических элементов и даже всех элементарных частиц. В экстремальных условиях при столь больших плотности и температуре после Большого Взрыва стали протекать ядерные реакции между элементарными частицами, в результате которых образовались другие элементарные частицы (до указанного выше момента после истечения 10–4 секунды после Взрыва), а затем и химические элементы.

Какие именно процессы привели к образованию химических элементов, в настоящее время установлено, поскольку имеется возможность сопоставить результаты расчетов этих процессов с истинным распределением химических элементов в нынешней Вселенной. Поэтому можно считать, что мы знаем, что происходило от 1 секунды после Взрыва и до наших дней, несмотря на то, что этот период занимает 15 миллиардов лет. Имеются некоторые естественные вехи, которые делят весь интервал времени после Взрыва (все время жизни Вселенной, поскольку ее летоисчисление началось с Большого Взрыва) на отдельные периоды. Первый такой период (возможно, состоящий из подпериодов) от начала Взрыва продолжался всего 1 секунду. Но именно в этот период была определена вся дальнейшая «судьба» Вселенной (ее строение, химический состав, эволюция). Правда, этот период не только самый важный, но и менее изученный, чем последующие.

В самые первые моменты после Взрыва из-за огромной температуры, превышающей десятки тысяч миллиардов градусов, взаимодействие частиц приводило к рождению одновременно протонов и антипротонов, а также нейтронов и антинейтронов. Частицы и античастицы не только рождались, но и аннигилировали (взаимно уничтожались). При последнем процессе рождаются фотоны. Так, высокоэнергичные фотоны при столкновении приводят к образованию пар электрон-позитрон, а при аннигиляции рождаются кванты света — фотоны. Минимальная температура, при которой могут проходить описанные выше превращения, должна превышать 10 миллиардов градусов. При меньших температурах фотонам не будет хватать энергии для образования пар электрон-позитрон. Как уже было сказано, для рождения более тяжелых частиц (протонов, антипротонов, нейтронов, антинейтронов, мезонов и т. п.) нужна еще более высокая температура. Чем меньше температура, тем частицы меньшей массы могут порождать фотоны. Поэтому при понижении температуры число тяжелых частиц уменьшается (вначале протонов и антипротонов, а затем и мезонов).

Высокоэнергичные фотоны не могли преодолеть вещества из-за его колоссальной плотности: они поглощались и тут же излучались веществом. При нынешней низкой плотности вещества во Вселенной оно неспособно было бы оказать какое-либо ослабляющее (поглощающее) действие на распространение этих фотонов. В результате поглощения и излучения фотонов их число оставалось неизменным. То же можно сказать и о протонах и нейтронах. Установлено, что в первый период на один протон приходился миллиард фотонов. Можно сказать, что все произошло от света, так как частиц по сравнению с фотонами было ничтожно мало. С течением времени это соотношение остается постоянным. Но меняется соотношение между массой всех фотонов и массой всех протонов, поскольку фотоны становятся все более легкими. Это происходит в результате эффекта Доплера, так как фотоны с течением времени уменьшают свою частоту, а значит, и энергию (массу).

В какое-то время наступает момент, когда вся масса фотонов (в данном объеме) сравнится с массой протонов. Такое условие наступило во Вселенной тогда, когда ее вещество имело плотность 10–20 г/см3 и температуру около 6 тысяч градусов. До этого масса излучения была больше массы вещества. Этот период называют эрой фотонной плазмы. Фотоны в это время представляли собой видимый свет. Позднее их энергия уменьшилась (частота уменьшилась), и они стали радиоволнами.

В первом периоде критическим является достижение момента в 0,3 секунды. С этого момента вещество, уменьшающее свою плотность в результате расширения, начинает быть прозрачным для нейтрино. При больших плотностях и очень высоких температурах нейтрино взаимодействует с веществом: они вместе с антинейтрино превращаются в электроны, позитроны и обратно. После этого момента, наступившего спустя 0,3 секунды после Большого Взрыва, нейтрино становятся неуловимыми, ведь они больше не взаимодействуют с остальным веществом, которое становится для нейтрино прозрачным. По этой причине число нейтрино, которые вырвались в этот момент из вещества Вселенной, не меняется до наших дней: они только носятся по Вселенной, но не исчезают. Правда, с ними происходит то же самое, что и с фотонами, в результате эффекта Доплера они с течением времени уменьшают свою энергию. Мы узнаем о том, что происходило после Большого Взрыва, по тому излучению, которое доходит до нас с тех времен. Несомненно, что ценную информацию несут с собой и нейтрино, которые вырвались на свободу в момент, наступивший через 0,3 секунды после Взрыва. Но, к сожалению, их пока не удалось поймать. Этому препятствуют очень малая их энергия (она с первоначального момента сильно уменьшилась) и их нежелание взаимодействовать с остальным веществом.

В первые пять минут после Большого Взрыва практически произошли события, определившие те свойства Вселенной, которые она имеет сегодня. Решающую роль в них играли протоны и нейтроны, которые, взаимодействуя с электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино, превращаются друг в друга. Но в каждый момент число протонов примерно равно числу нейтронов. Подчеркнем, что температура в это время была не менее ста миллиардов градусов. Но с течением времени температура вследствие расширения Вселенной уменьшается. При этом протонов становится больше, поскольку их масса меньше массы нейтронов и создавать их энергетически выгоднее. Но эти реакции создания избытка протонов останавливаются из-за понижения температуры до того, как все нейтроны будут превращены в протоны, а именно, в тот момент, когда нейтроны составляют 15 % от всех тяжелых частиц. И только после того, как температура падает до одного миллиарда градусов, начинают образовываться простейшие ядра (кроме самого протона, который является ядром атома водорода). Это становится возможным потому, что фотоны и другие частицы из-за «низкой» температуры уже бессильны разбить ядро. Нейтроны захватываются протонами, и образуется дейтерий. Затем реакция продолжается и заканчивается образованием ядер гелия, которые состоят из двух протонов и двух нейтронов. Кроме дейтерия образуется совсем немного лития и изотопа гелия–3. Более тяжелые ядра в это время не образуются. Второй период, длящийся от секунды до 5 минут, заканчивается потому, что из-за упавшей ниже одного миллиарда градусов температуры ядерные реакции прекращаются. Собственно, это те реакции, которые происходят при взрыве водородной бомбы.

К концу второго периода, то есть через 5 минут после Большого Взрыва, расширяющееся вещество состоит из ядер атома водорода — 70 % и ядер гелия — 30 %.

Был еще один момент, особый в протекании физических процессов в расширяющейся Вселенной после Большого Взрыва. Электроны и позитроны, рождаемые при высоких температурах в результате столкновения высокоэнергичных частиц, перестали создаваться, так как температура упала до нескольких миллиардов градусов. Энергии сталкивающихся частиц стало недостаточно для их образования. Имеющиеся электроны и позитроны аннигилируют, и при этом образуются фотоны. Таким образом, число фотонов увеличивается. Через какое-то время процесс аннигиляции заканчивается. Так, к концу второго периода в 5 минут заканчиваются процессы в горячей ранней Вселенной. Температура становится ниже одного миллиарда градусов. Вселенная перестает быть горячей. Поэтому наступает период совсем других процессов, который длится триста тысяч лет.

В это время еще нет атомов. Вещество Вселенной представляет собой плазму, то есть одни голые ядра без орбитальных электронов. Эта плазма «нашпигована» фотонами. Поэтому ее называют фотонной плазмой. Она является непрозрачной для фотонов. Свет своим давлением только несколько ее раскачивает, образуя «фотонный звук». Главным дирижером всего происходящего в расширяющейся Вселенной во все три периода является температура. Вселенная не только расширяется, но и одновременно (а точнее, поэтому) охлаждается. Когда температура падает до четырех тысяч градусов, наступает очередной скачок в характере процессов: начинают образовываться нейтральные атомы. Плазма перестает быть полностью ионизованной. Число нейтральных атомов увеличивается. Они образуются в результате обрастания имеющихся в плазме ядер водорода и гелия электронами. Так появляются в расширяющейся Вселенной нейтральный водород и гелий. По мере того как плазма стала превращаться в нейтральный газ, она становилась прозрачной для фотонов. Именно в этот момент, спустя триста тысяч лет после Большого Взрыва, фотоны вырвались из столь длительного плена (названного эрой фотонной плазмы) и устремились в самые удаленные уголки Вселенной. Эти качественные изменения имели далеко идущие последствия. Главное из них, видимо, то, что однородная до этого плазма, превращенная теперь в нейтральный газ, получила возможность собираться в комки. А это первый шаг к образованию галактик и вообще всех небесных тел. Почему это не могло происходить в плазме? Потому, что образованный комок плазмы запирал внутри себя фотоны, которые оказывали на него изнутри огромное давление и разбивали его. Комок не рос дальше, а, наоборот, разрушался. Плазма снова становилась однородной. Но когда фотоны, как пар из лопнувшего шара, были выпущены, ничто не препятствовало нейтральному веществу собираться в комки. Далее надо бы рассмотреть, как все это происходило. Но у читателя возникло много вопросов по тому, что уже было сказано. Поэтому мы вернемся к описанному периоду жизни Вселенной и сделаем необходимые пояснения, а после этого продолжим рассказ о том, как образовались галактики, скопления галактик, звезды и планеты.

Прежде всего возникает естественный вопрос, откуда мы знаем, что Вселенная расширяется. Это отнюдь не очевидно. Наоборот, во все эпохи считалось, что Вселенная является стационарной, то есть один раз запущенной, как часы, и важно было только выяснить, как устроен механизм этих часов. Но оказалось, что механизм Вселенной меняется со временем. Вселенная развивается, эволюционирует, то есть является нестационарной. Первым, кому это пришло в голову, был советский физик А. Фридман, работавший в 1920-е годы в Петрограде. Он строго математически решал уравнения теории тяготения А. Эйнштейна и установил, что Вселенная не может быть стационарной, она должна непрерывно меняться, эволюционировать. Если принять ее стационарность, то под действием сил притяжения она должна постепенно сжиматься. Сжатию под действием сил тяготения могут препятствовать силы, возникающие за счет круговых движений тел по своим орбитам, как это имеет место в Солнечной системе. В эллиптических галактиках вступает в силу другое противодействие — движение тел по очень вытянутым орбитам. Что касается всей Вселенной, то ни то, ни другое объяснение невозможно, так как для уравновешивания действия сил тяготения пришлось бы разгонять ее до скоростей, превышающих скорость света. А это законами физики запрещено. Получается, что силы тяготения во Вселенной уравновесить нечем.

А. Эйнштейн также занимался этой проблемой и нашел выход в том, что модифицировал уравнения теории тяготения (благо, она была им же создана) таким образом, что силы притяжения уравновешивались некими введенными им силами отталкивания, которые должны, по его предположению, действовать между всеми телами во Вселенной (наряду с силами притяжения). Так он несколько незаконно получил статистические решения, описывающие стационарную Вселенную. На опубликованную в конце июня 1922 года в немецком «Физическом журнале» работу Фридмана он опубликовал там же ответ, в котором указал, что он нашел в расчетах А. Фридмана ошибку, а правильные решения дают стационарную Вселенную. Только почти через год (в мае 1923 года) А. Эйнштейна удалось убедить в правоте А. Фридмана, и он публично признал это.

Что же следовало из решения А. Фридмана? Вселенная должна или расширяться, или сжиматься, или же пульсировать. Теперь дело стало за доказательствами, за фактами, за экспериментом. Первыми доказательствами могли служить данные измерений американского астрофизика В. Слайфера, который показал, что большинство галактик удаляется от нас с огромной скоростью. Принцип этих измерений прост. Если движущееся мимо нас тело (например, паровоз) издает звук, то при приближении источника звука к нам частота его колебаний увеличивается (он становится более высоким), а при удалении — уменьшается (звук становится более низким). Это и есть эффект Доплера. То же самое происходит и со светом (а вообще с любыми волнами, в том числе электромагнитными, включая радиоволны, рентген, гамма-излучение и т. д.): при приближении источника света его частота увеличивается, он смещается в сторону голубого цвета, а при удалении свет краснеет. Оказалось, что свет галактик краснеет. Значит, источники света удаляются. Надо иметь в виду, что по эффекту Доплера можно определить только скорость вдоль линии, соединяющей нас с источником света (или звука), то есть по лучу. Поэтому эти скорости и были названы «лучевыми». Но для получения полной картины расширения Вселенной этого мало. Надо знать истинные расстояния до излучающих тел. Этот вопрос решался на основании использования следующего физического закона. Если знать истинную светимость свечи (любого источника света), то при удалении ее на определенное расстояние ее видимый блеск уменьшится как квадрат этого расстояния. Значит, зная светимость источника и его видимый блеск, можно определить расстояние до него. Этот метод так и назван — методом стандартной свечи.

К «стандартной свече» выдвигаются определенные требования. Во-первых, чтобы она не была слабой, иначе мы ее видимого блеска и вовсе не заметим. Во-вторых, чтобы нам была известна ее истинная светимость. Исходя из этих требований вначале использовали переменные звезды цефеиды, которые в тысячу раз ярче Солнца. С помощью цефеид можно промерить Вселенную на расстояние до 15 миллионов световых лет. Но это расстояние недостаточное. На таком расстоянии находятся только ближайшие галактики. Более мощными «свечами» являются ярчайшие шаровые скопления звезд, которые находятся вокруг каждой галактики. Если из всех скоплений выбирать только ярчайшие, то будет обеспечена стандартность свечи, поскольку они для всех галактик имеют одинаковую светимость. С помощью шаровых скоплений можно заглянуть во Вселенную вплоть до шестидесяти миллионов световых лет, то есть до ближайших скоплений галактик. Была открыта и более яркая свеча. Ею могут служить ярчайшие галактики, которые имеют одинаковую светимость. Они позволяют измерить расстояние в миллиарды световых лет. Таким образом измеряют скорости небесных объектов и расстояния до них.

Оказалось, что между этими двумя величинами имеется очень жесткая связь: скорость удаления галактики тем больше, чем дальше она от нас удалена. Этот замечательный закон открыл в 1929 году американский астрофизик Э. Хаббл. На основании имеющихся данных о расстоянии до галактик и об их лучевых скоростях Э. Хаббл ввел число (коэффициент Хаббла), умножив на которое расстояние до объекта, получаем его скорость удаления. Насколько важно соотношение Хаббла, очевидно: зная расстояние до объекта (галактики), мы тем самым знаем и скорость его удаления. Закон Хаббла сыграл и продолжает играть в астрофизике исключительно важную роль. За 50 лет, прошедших со времени открытия этого закона, постоянная Хаббла несколько раз уточнялась. Только после 1950 года, когда был запущен самый крупный по тем временам 5-метровый телескоп, она была существенно исправлена (расстояния до галактик утроились, а до самых далеких галактик, когда измерения ведутся по ярчайшим звездам, увеличились в шесть — десять раз). Сейчас считается, что галактики, которые удалены на расстояние одного миллиона световых лет, удаляются со скоростью около 75 километров в секунду. Имея эти данные, каждый может определить, когда эта галактика начала свой путь. Для этого надо первое число поделить на второе. Мы получим 13 миллиардов лет. Галактики, которые удалены вдвое дальше, имеют скорость разбегания вдвое больше. Но начальный момент получится тот же. Конечно, этот момент нельзя определить очень точно. Чаще всего в книгах приводят цифру 15, реже — 18 миллиардов световых лет. Если быть осторожным, то можно сказать, что эпоха Большого Взрыва, то есть эпоха рождения Вселенной, была за 10–20 миллиардов лет до нас. Для сравнения приведем отдаленность от нас других эпох: возраст Солнца и Земли составляет около 5 миллиардов лет, а возраст шаровых звездных скоплений в Галактике — 10–14 миллиардов лет.

Касаясь скорости расширения Вселенной, необходимо сделать еще пару замечаний. Во-первых, убегающая галактика испытывает на себе силы тяготения и несколько тормозит свое движение. Но уменьшение ее скорости по этой причине столь ничтожно, что его можно не учитывать. Во-вторых, разбегаются не все тела во Вселенной, а только целые галактики. Внутрь галактик расширения нет, они движутся как целые, неизменные в этом смысле объекты.

Таким образом, мы пришли к заключению, что теория и эксперимент говорят о том, что Вселенная расширяется, и позволяют нам определить начало этого расширения — около 15 миллиардов лет тому назад.

Но откуда мы знаем, что происходило в разные моменты после Взрыва? Прежде всего от самих свидетелей Взрыва. Это высокоэнергичные фотоны. С тех пор как они вырвались из плена фотонной плазмы, они вечно в пути. Но за счет эффекта Доплера энергия этих фотонов постепенно тает. В описываемый нами выше период они еще имели значительную энергию и были видимым светом. В наше время они стали радиоволнами. Так вот, именно эти фотоны являются первыми свидетелями того, что было в начале. Впервые они были зарегистрированы в 1965 году радиоинженерами Р. Вильсоном и А. Пензиасом с помощью 20-футового отражателя. Это была самая современная антенна, и с самым чувствительным радиоприемником она составляла радиотелескоп. Инженеры занимались своими задачами, но оказалось, что при любых ситуациях система принимала какое-то излучение на длине волны 7,35 сантиметра. Излучение, принимаемое антеннами, принято характеризовать величиной температуры. Оказалось, что температура этого излучения была около 3 градусов Кельвина. Это излучение имеется и на других длинах волн, спектр его описывается формулой Планка для излучения тела с определенной температурой. Авторам этого открытия в 1978 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Добавим, что советский астрофизик Шкловский назвал это излучение реликтовым. Реликтовое излучение не задерживается веществом Вселенной и может быть зарегистрировано в любом месте. Так, в каждом кубическом сантиметре пространства имеется около 500 фотонов реликтового излучения. Если все вещество Вселенной равномерно распределить по пространству, как распределено реликтовое излучение, то окажется, что в одном кубическом метре будет только один атом водорода. Вот какое численное преимущество имеет реликтовое излучение: миллиард фотонов на один атом вещества! Но если посчитать энергию, то перевес будет на стороне частиц. Соответствующая энергии масса в кубическом сантиметре (плотность) составляет для частиц около 10–30 граммов, а для реликтовых фотонов только 5·10–34 граммов. О чем нам говорит реликтовое излучение? Прежде всего о том, что в больших масштабах Вселенная очень однородна. На первый взгляд это очень странно. О какой однородности может идти речь, если множество звезд составляют галактики, множество галактик — скопления галактик. Но дело в том, что однородность Вселенной проявляется на более крупных масштабах. Приводят такой пример. Следы на морском песке и другие неровности с большого расстояния не видны, он представляется однородным (в больших масштабах). Таким образом, Вселенная имеет определенную иерархию в структуре только до определенного масштаба. Для больших масштабов, то есть в размерах больше сотен миллионов световых лет, она однородна.

Реликтовое излучение свидетельствует об однородности Вселенной потому, что оно приходит к нам одинаковое со всех направлений. Если бы оно встретило в каком-то направлении значительную неоднородность, имеющую размеры в миллиард световых лет и более, то из этого направления оно приходило бы более покрасневшим, чем из других, ведь в этом направлении излучение преодолевает большее тяготение и на это теряет большую энергию, то есть больше уменьшает свою интенсивность, чем с других направлений, где неоднородностей нет. Самая крупная структурная единица Вселенной — это сверхскопления галактик. Но об этом будет сказано позднее, когда мы узнаем, как образовались галактики и сверхскопления галактик.

Откуда мы знаем о том, какие реакции проходили после Большого Взрыва и в какие периоды? Здесь ключевым является вопрос температуры первоначального вещества. Как постоянно подчеркивалось при описании реакций (процессов), основным их дирижером была температура: при определенном значении температуры одни процессы (реакции) прекращались (для них не хватало энергии частиц) и доминировали другие процессы. Кроме того, мы знаем, что же получилось в результате Большого Взрыва, то есть знаем свойства (химический состав и т. д.) сегодняшней Вселенной. Исходя из этих сведений и решалась задача теоретически, хотя и не сразу.

Так, вначале теоретики рассчитали модель холодной Вселенной. Оказалось, что эта Вселенная, состоящая первоначально из холодных нейтронов, в результате своей эволюции не может дать того, что мы наблюдаем. А модель горячей Вселенной правильно объясняет практически все свойства современной Вселенной, и прежде всего ее нынешний химический состав, который полностью противоречит модели первоначально холодной Вселенной. Реликтовое излучение полностью подтвердило правильность описанной модели первоначально горячей Вселенной.

Теперь мы можем вернуться к рассказу об эволюции Вселенной.

После того как во Вселенной образовались атомы и фотонная плазма превратилась в нейтральное вещество, состоящее из водорода и гелия, а фотоны по истечении 300-тысячелетнеого плена вырвались на свободу, началось образование галактик.

Если вещество равномерно распределено в пределах шара, то под действием сил притяжения все вещество с течением времени соберется в центре шара. Если это вещество равномерно распределено в бесконечном пространстве, то оно под действием сил притяжения соберется в отдельные комки. Этот процесс называется гравитационной неустойчивостью.

Если бы это произошло с самого начала, когда вещество Вселенной имело огромную плотность, то образовавшиеся при этом комки были бы еще плотнее. Но этого на самом деле нигде во Вселенной нет. Поэтому такой вариант исключается. Средняя плотность вещества образовавшихся галактик очень невелика. Поэтому можно заключить, что они образовались уже тогда, когда вещество Вселенной было разреженным. Это и понятно, поскольку при большой плотности вещества образованию комков мешало давление реликтового излучения, как это было уже описано.

В процессе образования вещества во Вселенной большая роль отводится нейтрино. На первом этапе (в первые секунды после Взрыва) нейтрино выравнивает случайно возникающие неоднородности плотности вещества во Вселенной. Это было возможно потому, что нейтрино имели большие энергии (скорости, близкие к скорости света). Но выравнивание плотности вещества происходит только в малых пространственных масштабах (по космическим понятиям). Однако с течением времени из-за расширения Вселенной нейтрино теряют свою энергию. Примерно спустя 300 световых лет после начала расширения нейтрино, попадающие в сгущение плотности (комок), уже неспособны из него выбраться, у них не хватает для этого энергии. Больше они не препятствуют образованию неоднородностей вещества Вселенной.