Лекция 1. Эволюция вселенной (стр. 6 )

Энергии тепловых фотонов уже не хватало для расщепления дейтерия и др. ядер, преобладал процесс синтеза, поэтому шло накопление ядер и протекали дальнейшие реакции:
(*)
(Т - тритий). Нестабильный тритий распадается, превращаясь в 3Не с периодом полураспада 12,3 года. Реакции (*) определили хим. состав дозвёздного (см. Происхождение химических элементов) вещества: 75-78% водорода, 25-22% гелия (по массе) и заметно меньшие количества дейтерия, гелия-3 и лития-7. Спектр. анализ хим. состава звёзд и туманностей в нашей Галактике показывает, что наблюдаемое обилие гелия хорошо согласуется с предсказаниями М. г. В. Везде наблюдается более высокое (по сравнению с предсказаниями модели) обилие гелия, что вполне естественно, ведь гелий синтезируется также в звёздах главной последовательности и это увеличивает его обилие по сравнению с первичным. Важнейшее значение имеют расчёты обилия первичного дейтерия. Это обилие чрезвычайно чувствительно к плотности барионов (суммарная масса барионов в ед. объёма) в период ядерных реакций, к-рая пропорциональна совр. ср. плотности барионов во Вселенной (рис. 2). Чем выше была плотность барионов, тем более эффективно дейтерий выгорал в реакциях (*), превращаясь в гелий. Наблюдения УФ-линий поглощения дейтерия в спектрах ярких горячих звёзд привели к обнаружению межзвёздного дейтерия (рис. 3). Поскольку дейтерий не синтезируется в звёздах (в их недрах он очень быстро выгорает), то наблюдаемый дейтерий явл. первичным и свидетельствует о том, что Вселенная действительно прошла через горячую стадию, когда темп-ра достигала 109-109 К. Обилие межзвёздного дейтерия столь высоко (), что согласуется лишь с г/см3 (рис. 2), что в десятки раз меньше критич. плотности г/см3, H0/50 км/с/Мпк - постоянная Хаббла (см.Космология).

Рис. 2. Зависимость первичного обилия элементов от современной плотности барионов во Вселенной (согласно расчётам в рамках модели горячей Вселенной). А - массовое число.

Напомним, что если ср. плотность материи во Вселенной больше , то Вселенная замкнута и расширение со временем сменится сжатием. При расширение Вселенной будет продолжаться неограниченно. Показательно, что плотность видимого (светящегося) вещества, входящего в звёзды и явно состоящего из барионов, также в десятки раз меньше . Но в могут давать вклад не только вещество звёзд, но и излучение, межгалактич. газ, слабовзаимодействующие элементарные частицы; известны аргументы в пользу существования скрытой массы(невидимой) в галактиках, их гало, в скоплениях галактик. Скрытой массы может быть в десятки раз больше, чем светящейся, входящей в звёзды главной последовательности. Данные об обилии межзвёздного дейтерия позволяют утверждать, что ни межгалактич. газ, ни слабосветящиеся звёзды, ни мёртвые звёзды (белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры), ни планеты - ничто состоящее из барионов, привычного нам вида вещества, не может сделать мир замкнутым и давать осн. вклад в скрытую массу и в . Вклад полной плотности энергии излучения в (, Tr - темп-ра микроволнового фонового излучения) также мал ( в тысячи раз меньше ). Широкое распространение получила точка зрения, что главный вклад в дают слабовзаимодействующие элементарные частицы, обладающие малой, но конечной массой покоя. Осн. кандидат на роль такой частицы - нейтрино (возможны и др. кандидаты). Экспериментальная физика элементарных частиц даёт важные аргументы в пользу существования массы покоя нейтрино 30 эВ и оставляет открытым вопрос о существовании др. слабовзаимодействующих частиц с малой, но конечной массой. Совр. концентрация таких частиц должна быть порядка концентрации фотонов и на девять-десять порядков должна превышать концентрацию барионов (10-7 см-3). Даже при ничтожной массе покоя 10-30 эВ (меньше 10-4 массы электрона) они должны обеспечивать . Наличие у таких частиц конечной массы покоя m ни в коей мере не сказывается на обилии дейтерия и гелия, т. к. в период ядерных реакций кэВ. В то время частицы (нейтрино?) были ультрарелятивистскими и давали малый вклад в , определяемую в тот период излучением. При понижении темп-ры плотность энергии газа ультрарелятивистских частиц падает так же, как и плотность энергии излучения: (концентрация частиц N убывает как , а ср. энергия частицы как Tr). Плотность энергии газа нерелятивистских частиц , т. е. убывает значительно медленнее. Частицы с массой порядка 30 эВ стали нерелятивистскими при темп-ре К. Начиная с этого момента их вклад в быстро нарастал и при K стал доминирующим.

Рис. 3. Межзвездные линии поглощения вблизи центра широкой линии водорода (центр линии - 972,537 ) в спектре звезды Cen.

После периода ядерных реакций ионизованные водород и гелий ещё долго находились в равновесии с излучением. Лишь после снижения темп-ры до 4000 К произошла рекомбинация электронов и протонов и образовались атомы нейтрального водорода, которые уже не могли быть ионизованы излучением с такой низкой температурой.

Практически до периода рекомбинации излучение давало главный вклад в , т. е. Вселенная была радиационно-доминированной. Уже при Tr ~103 К барионы давали вклад в , сравнимый с . В дальнейшем при меньших темп-рах их вклад становится больше, чем вклад излучения. На радиационно-доминированной стадии излучение определяло темп расширения Вселенной и существовала простая связь между Tr и временем tс начала расширения: (с). При К в равновесии было много видов элементарных частиц и эта связь не была столь простой.

После рекомбинации водорода Вселенная стала прозрачной для излучения, влияние вещества на спектр и угловое распределение излучения практически прекратилось. В период падения температуры излучения от К до неск. десятков К Вселенная являла собой скучную картину практически однородного нейтрального газа и моря фотонов и нейтрино. И лишь на самой поздней стадии рост первичных возмущений плотности, обусловленныйгравитационной неустойчивостью, привёл к образованию крупномасштабной структуры Вселенной, скоплений галактик, квазаров и т. д. со взрывами, мощным оптич., рентг. и радиоизлучением, ускорением космич. лучей и т. п.

Широко обсуждаются две осн. модели первичных возмущений плотности: адиабатич. и энтропийные возмущения. Адиабатич. возмущения на ранней стадии представляли собой возмущения как излучения, так и вещества. Пока длина волны возмущения lбыла больше горизонта ct, амплитуда возмущений на радиационно-доминированной стадии росла ~ (1 + z)-2, где z - космологич. красное смещение. Затем вплоть до периода рекомбинации при 1500 адиабатич. возмущения представляли собой стоячие звуковые волны. В малых масштабах, соответствующих массе, охваченной возмущением, , лучистая вязкость и теплопроводность приводили к затуханию возмущений. Т. о., к периоду рекомбинации сохранилась лишь длинноволновая часть спектра первичных адиабатич. возмущений плотности. Джинсовская длина волны lДж на дорекомбинац. стадии была близка к горизонту, поэтому возмущения росли лишь в масштабах, превышающих горизонт. В меньших масштабах возмущения представляли собой стоячие звуковые волны. После рекомбинации Вселенная стала прозрачной для излучения, резко упали скорость звука (от на дорекомбинац. стадии до см/с, mH - масса атома водорода) и джинсовская масса (от до ). Вновь становится возможным рост возмущений плотности во всех масштабах, превышающих . Возмущения растут до тех пор, пока их значение не достигнет , когда начинается нелинейная стадия и становится возможным выделение гравитационно связанных объектов. Согласно модели адиабатич. возмущений, из-за затухания коротковолновых возмущений первыми должны были образоваться объекты с массой , формируя характерную сетчатую структуру, сверхскопления и скопления галактик. В сгущениях плотности сформировались галактики. Образование скоплений галактик, квазаров, галактик сопровождалось сильным энерговыделением, формированием ударных волн, сильным УФ-излучением, что привело к вторичному разогреву и ионизации межгалактич. газа.