КУРС ЗАГАЛЬНОЇ АСТРОНОМІЇ - С. М. АНДРІЄВСЬКИЙ 2007

Частина VIII

ПРОБЛЕМИ КОСМОГОНІЇ ТА КОСМОЛОГІЇ

Розділ 22

ЕЛЕМЕНТИ КОСМОЛОГІЇ

22.2. Еволюція Всесвіту

22.2.3. Первинний нуклеосинтез. Ера випромінювання

Проміжок часу від закінчення лептонної ери й аж до приблизно мільйона років після народження Всесвіту зветься ерою випромінювання. Через 100 секунд після Великого Вибуху температура досягала всього мільярда градусів. При такій температурі деякі протони і нейтрони могли поєднуватися, утворюючи в основному ядра гелію, а також значно меншу кількість ядер дейтерію, тритію і літію. Цей процес називається первинним нуклеосинтезом. Після його закінчення речовина Всесвіту стала складатися з ядер водню (приблизно 70% від повної маси), гелію (приблизно 30%) і незначного домішку вже згаданих ядер дейтерію, тритію, літію. Були тут також у відповідній кількості вільні електрони, нейтрино та антинейтрино. Ядра всіх хімічних елементів, важчих за літій, були утворені потім в зорях на пізніших етапах еволюції Всесвіту.

Наприкінці ери випромінювання температура плазми сягала усього кілька тисяч градусів. При такій температурі атомні ядра і електрони одержали змогу поєднуватися в атоми. Як тільки відбулося таке об'єднання, плазма стала прозорою для випромінювання. Часовий інтервал об'єднання електронів і ядер водню, гелію, дейтерію, тритію і літію в атоми зветься ерою рекомбінації.

Випромінювання високої енергії, що виникло одразу після народження Всесвіту, до ери рекомбінації, було перемішано з речовиною (частинками мікросвіту) і ефективно взаємодіяло з нею. Ця суміш була однорідною й ізотропною, у ній не було областей підвищеної чи зниженої густини, густина у всіх напрямках була однаковою. Після ери рекомбінації випромінювання практично перестало взаємодіяти з речовиною, тобто з утвореними атомами, але зберегло усі властивості первісної однорідності та ізотропності. Розширюючись одночасно з об'ємом Всесвіту, випромінювання поступово «холонуло», його енергія спадала, а це означає, що довжина хвилі цього випромінювання безупинно збільшувалася з часом. Сьогодні відгомін тієї бурхливої епохи ми спостерігаємо як вже згадане реліктове радіовипромінювання — залишки того, надзвичайно гарячого високоенергійного випромінювання, що колись заповнювало молодий Всесвіт.

Як ми бачили вище, з моменту народження Всесвіту і до кінця ери випромінювання (t ~ 1013 сек.), масштабний фактор змінювався згідно з (22.10). Після ери рекомбінації у Всесвіті починає домінувати вже не випромінювання, а звичайна нерелятивістська речовина. Якщо обрати для неїрівняння стануimage92(див. приклад «б» з підрозділу 22.2) і урахувати, що у цьому випадку ρa5 = const, то інтегрування (22.9) дасть:

image93

Ця форма зростання масштабного фактора з часом справедлива також і для сучасного Всесвіту.

Одразу після того, як нерелятивістська речовина стала відігравати важливішу роль, у Всесвіті почався процес формування галактик.

Модель Великого Вибуху змогла успішно пояснити розширення Всесвіту, наявність реліктового випромінювання, особливості хімічного складу первинної речовини. Однак на деякі питання ця модель так і не змогла відповісти. Серед них такі.

— Чому світ, що спостерігається, є однорідним та ізотропним? Якщо, відповідно до моделі Великого Вибуху, Всесвіт спочатку перебував у надгустому стані, то будь-які неоднорідності його речовини, що могли виникнути на початковому етапі його існування, повинні були згодом посилитися. У нашу епоху ці неоднорідності неминуче повинні були б виявити себе як неоднорідності спостережуваного реліктового випромінювання. Однак, згідно з результатами багатьох експериментів, реліктове випромінювання не показує помітної неоднорідності та анізотропії.

— Чому геометрія нашого Всесвіту є геометрією плоского простору? Сьогодні ми не знаємо жодного переконливого свідчення того, що простір спостережуваної нами частини Всесвіту підкоряється законам іншої геометрії. З першої формули (22.2) випливає, що Всесвіт повинний бути плоским у тому випадку, якщо його середня густина у точності дорівнює критичній:

image94

Дослідження останніх років показують, що відношення значення середньої густини спостережуваного Всесвіту до значення критичної густини приблизно дорівнює 0,1. Іншими словами, густина Всесвіту начебто є меншою за критичну. Однак, є всі підстави вважати, що значення середньої густини Всесвіту встановлене неточно, а конкретне, є заниженим. Наші вимірювання засновані тільки на аналізі світної, тобто випромінюючої матерії навколишнього світу, однак аналіз гравітаційної взаємодії зоряних систем у скупченнях і надскупченнях галактик свідчить про те, що близько 90% маси Всесвіту — це невидима, «темна» речовина. Відповіді на питання про те, що собою являє ця «темна» речовина, поки що немає (див. розділ 20).

— Чому наш Всесвіт не містить у собі надважких частинок мікросвіту, які повинні були б народжуватися у великій кількості одразу ж після Великого Вибуху, коли температура сягала 10 32—1028 К? Експериментально таких частинок мікросвіту в навколишньому середовищі не виявлено.

— Що було до моменту часу t = 0, з якого почалося розширення, і які сили викликали це розширення? Відповідно до моделі Великого Вибуху розширення почалося зі стану сингулярності. Сингулярний стан характеризується нескінченно великою густиною, але ніяка фізична теорія не здатна описати речовину у такому стані.

Більш докладно з цими проблемами ми познайомимося у підрозділі 22.3 при розгляді інфляційної моделі Всесвіту.

Незважаючи на деякі протиріччя моделі Великого Вибуху, вона все ж таки дозволяє одержати певну уяву про майбутнє Всесвіту.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.