Физические процессы в Горячей Вселенной. Эволюция вещества и излучения
В начале расширения Вселенной при большой температуре в термодинамическом равновесии с веществом должно было находиться электромагнитное излучение. В ходе расширения вещество и излучение остывают, и к настоящему времени во Вселенной должно существовать низкотемпературное излучение (его наз. микроволновым фоновым излучением или реликтовым излучением), для которого вещество сегодняшней Вселенной практически прозрачно. Существование во Вселенной такого излучения, имеющего температуру всего несколько Кельвинов, было предсказано Г. Гамовым (1956). В 1964 А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков впервые рассчитали широкий спектр плотности электромагнитного излучения от всех источников в эволюционирующей Вселенной (включая радиогалактики и звёзды) и показали, что в области сантиметровых и миллиметровых волн интенсивность реликтового излучения с температурой около 1 К и выше будет на много порядков превосходить излучение отдельных источников, и оно может быть обнаружено. Реликтовое излучение (РИ) было открыто А. Пензиасом и P. Вильсоном в 1965 на длине волны 7,3см. Обнаружение РИ стало решающим тестом, подтвердившим справедливость гипотезы о высокой изначальной температуре Вселенной. Тщательные последующие наблюдения показали, что РИ действительно является равновесным, как предсказывает теория, и имеет температуру 2,7 К. Современное количество фотонов РИ в ед. объёма =500 см-3, а тяжёлых частиц (барионов, гл. обр. протонов) Nb примерно 10-6 см-3. Отношение s = 109 почти не меняется с расширением Вселенной и характеризует уд. энтропию Вселенной, которая оказывается весьма большой. Плотность массы реликтового излучения сегодня 5*10-34 г/см3 ( 10-1 эрг - ср. энергия одного фотона) много меньше плотности массы обычного вещества 10-30 г/см3 (mb 10-24 г - масса протона): 5-10-4. В прошлом РИ преобладало над веществом не только по числу частиц, но и по массе. Действительно, с расширением Вселенной энергия каждого кванта убывает пропорционально его частоте из-за красного смещения, т. е. пропорционально увеличению пространственных масштабов. Отсюда следует, что в прошлом при плотности вещества 10-20г/см3 плотность излучения равнялась плотности вещества ( 10-20 г/см3), а частота излучения соответствовала диапазону видимого света. Для более раннего периода . Поэтому при анализе динамики расширения Вселенной в ранние эпохи можно пренебречь "примесью" обычного вещества, входящего в наше время в состав галактик, звёзд, планет. Закон падения температуры во Вселенной для ранней эпохи её расширения (в пределах нескольких лет или сотен лет после начала расширения) записывается в виде . Здесь время t (в секундах) отсчитывается от того момента, когда плотность материи равна (формально) бесконечности (сингулярное состояние). Физические процессы при Т>1013 К и плотностях >1018 г/см3 ещё недостаточно хорошо изучены современной физикой и выводы о процессах в этих условиях не могут считаться надёжными. Однако процессы при Т<1013 К можно рассматривать с полной уверенностью. При очень больших плотностях и температуpax все процессы взаимодействия частиц происходят чрезвычайно быстро, гораздо быстрее изменения физ. условий вследствие расширения Вселенной, и поэтому имеется полное термодинамическое равновесие между всеми сортами частиц (и их античастиц), которые могут рождаться при энергиях, соответствующих данной температуре. При T 1013 К в равновесии находятся барионы и антибарионы, разные сорта мезонов и их античастиц, мюоны электроны и их античастицы, все сорта нейтрино и антинейтрино, фотоны. Быстрые превращения одних частиц в другие поддерживают равновесие, количество частиц разных сортов примерно одинаково. С уменьшением температуры при расширении у взаимодействующих частиц уже не хватает энергии для рождения новых тяжёлых частиц, и эти частицы, сталкиваясь со своими античастицами, аннигилируют ("вымирают"). При t 10-6 с начинают вымирать барионы, затем мезоны и мюоны. После вымирания барионов и антибарионов остаётся небольшое количество барионов (~10-9 от исходного числа), т. к. с самого начала, согласно теории, их было несколько больше, чем антибарионов. Из этих барионов и образовались позднее все небесные тела. Иная судьба у частиц с нулевой (или очень малой) массой покоя. Такими частицами являются все сорта нейтрино и антинейтрино. При охлаждении и уменьшении скоростей реакций наступает момент, когда реакции с соответствующими частицами перестают протекать и частицы становятся свободными, т. е. Вселенная для них оказывается практически прозрачной. Так, при t 0,01 с свободными становятся мюонные нейтрино , при t 0,3 с - электронные нейтрино . Важно подчеркнуть, что и после освобождения частицы продолжают "остывать", уменьшать свою энергию вследствие расширения Вселенной. Это происходит потому, что свободно летящая частица переходит из одного объёма вещества в другой, удаляющейся от первого. Поэтому частица имеет относительно второго объёма меньшую энергию, чем была её энергия относительно первого объёма, и т. д. При t 10 с вымирают электронно-позитронные пары (они превращаются в фотоны). После этого во Вселенной остаются нейтрино и антинейтрино всех сортов, фотоны и небольшая примесь обычного вещества (одна миллиардная доля по числу частиц) в виде плазмы (смеси барионов и электронов). К сегодняшнему моменту реликтовые фотоны остыли и имеют, согласно наблюдениям, температуру T 2,7 К. Помимо реликтовых фотонов сегодня должны существовать реликтовые нейтрино с темп-рой несколько ниже, чем у фотонов (T 2 K). Более высокая температуpa фотонов по сравнению с нейтрино объясняется тем, что пары , превратившись в фотоны, добавили свою энергию к энергии фотонов. Прямое наблюдение реликтовых нейтрино пока невозможно. Для дальнейшей эволюции Вселенной важны физ. процессы, протекающие в веществе, из которого впоследствии образуются галактики, звёзды, планеты. При T 2*1010 К барионы существуют в виде протонов p и нейтронов n. Эти частицы быстро превращаются друг в друга под влиянием окружающих энергичных частиц
и устанавливается термодинамическое равновесие между количеством нейтронов и протонов. Отношение числа нейтронов к числу протонов в ед. объёма в равновесии
где - разность масс нейтрона и протона. При t порядка несколько секунд реакции (*) практически прекращаются, и отношение числа нейтронов к общему числу барионов (Np+Nn) в ед. объёма "застывает" на значении Nn(Np+Nn) 0,15. С дальнейшим понижением T, через несколько минут после начала расширения, начинают интенсивно протекать ядерные реакции объединения нейтронов и протонов, заканчивающиеся образованием 4He. Синтез более тяжёлых элементов не происходит, т. к. ядро 4He не присоединяет к себе нейтроны и др. имеющиеся частицы. В результате почти все нейтроны войдут в состав ядер 4He, что даст относительно содержание 4He по массе около 25% от массы всего вещества. Оставшиеся протоны составляют по массе около 75%. Примесь др. элементов пренебрежимо мала. Вещество с таким составом позже образует небесные тела, в частности звёзды первого поколения. После первых пяти минут все ядерные реакции во Вселенной прекращаются. Вещество продолжает расширяться и остывать. В эту эпоху длина свободного пробега фотонов очень мала, т. к. плазма для них непрозрачна. Давление РИ препятствует образованию к--л. изолированных объектов под действием сил тяготения. Спустя примерно 300 тыс. лет плазма остывает до T 4000 К, электроны объединяются с протонами и плазма превращается в нейтральный газ. Этот газ прозрачен для реликтовых фотонов, давление РИ не влияет на состояние газа. С этого момента под действием гравитационных сил в веществе начинается рост отдельных уплотнений, из которых затем образуются небесные тела - формируется структура Вселенной. Современная теория предполагает, что наряду с открытыми частицами в формировании структуры Вселенной мог участвовать и ряд гипотетических пока частиц. Они, вероятно, сегодня также должны присутствовать во Вселенной, как и реликтовые фотоны и нейтрино. Прямое обнаружение таких частиц пока невозможно, т. к. они крайне слабо взаимодействуют с обычным веществом и могут проявлять себя только через тяготение. Важные, пока ещё не совсем ясные процессы протекали вблизи сингулярного состояния материи в самом начале расширения (при плотностях, близких к т. н. планковской плотности ~1094 г/см3). Здесь при очень больших энергиях частиц объединялись, по-видимому, все виды физических взаимодействий квантовые процессы были существенны в масштабах всей Вселенной. В ходе расширения могли происходить фазовые превращения материи, связанные с расщеплением единого взаимодействия на отдельные составляющие. T. о., в Г. В. т. есть ещё много нерешённых проблем, гл. обр. относящихся к начальным стадиям расширения и к образованию небесных тел. Тем не менее, основные положения теории, описанные выше, надёжно установлены и подтверждены наблюдениями.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Физические процессы в Горячей Вселенной. Эволюция вещества и излучения» з дисципліни «Астрофізика»
