Тема 17. Эволюция Вселенной

17.1. Теория «Большого взрыва»

Наука, изучающая Вселенную, как единое целое и Метагалактику – как часть Вселенной, называется космологией. Георгий Гамов – американский физик–теоретик предполагает, что наша Вселенная, т.е. Метагалактика, родилась в горячем состоянии с температурой около 10³²К. Эту модель Гамов назвал «Космологией большого взрыва».

Над этой моделью Гамов работал 10 лет. В 1948 году он опубликовал теорию «Большого взрыва». Согласно теории "Большого взрыва", наша Вселенная расширяется. Расширение началось 15 млрд. лет назад из исходного очень горячего состояния. Согласно этой теории, в начальном моменте материя Вселенной находилась в состоянии физического вакуума. Физический вакуум был в неустойчивом, возбужденном состоянии, так как обладал огромной энергией: w= , где г/см³ - плотность материи вакуума, а с – скорость света. Энергия создает огромное давление . В момент времени 10^43 с., из-за огромного давления начинается инфляция вакуума, т.е. вакуум начинает терять энергию. От момента 10^─43 с. до 10^─35 с материя вакуума расширяется экспоненциально и его размер увеличивается в 10⁵⁰ раза. В промежуток времени от 10^─35с до 10^─32с происходит фазовый переход, т. е. «Большой взрыв», в ходе которого вакуумное состояние материи посредством туннельного эффекта превращается в горячую плотную Вселенную с температурой 10³² К, с материей в виде электромагнитных волн (радиоволны, инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма лучей).

Таким образом, наша Вселенная родилась в виде огненного шара, который назывался «Илем»(греч. йлем - первичная материя). Илем представлял собой нейтральный газ из электромагнитных волн и элементарных частиц.

По причине быстрого расширения, материя Вселенной охлаждается и начинается появление частиц из радиации. В начале количество частиц и античастиц было равным. Затем происходит спонтанное нарушение симметрии, это приводит к преобладанию частиц над античастицами. В первые секунды после взрыва рождаются адроны (барионы и мезоны). По истечению времени приблизительно в 1000 с после взрыва температура становится равной примерно 10¹⁰ К и нарушается равенство концентрации протонов и нейтронов по той причине, что время жизни протонов равно 10³¹ лет, а время жизни нейтронов длится около 800 с. Нейтроны распадаются и устанавливаются соотношения: 77% протонов и 22% нейтронов. В промежутке времени от 1000 с до 10000 с происходит образование легких атомов водорода и гелия. На образование ядра гелия уходят почти все нейтроны, и устанавливается следующее соотношение: 77% водорода и 22% гелия.

Интервал времени формирования Вселенной ученые делят на четыре “эры” в соответствии с преобладающей формой существования материи.

1. Эра адронов продолжается 0,0001 секунд. Адронная эра - это эра тяжелых частиц. Плотность частиц равна ρ>10¹⁴ г/см³ , а температура Т>10¹² К. В конце эры происходит внезапное нарушение симметрии, равенство частиц и античастиц. Причиной нарушения симметрии считается не сохранение барионного заряда. В результате, на каждый миллион (10⁶) античастиц приходится миллион плюс одна (10⁶ +1) частица.

2. Эра лептонов. Продолжительность эры от 0,0001с до 10с, температура от 10¹⁰ К до 10¹² К, плотность от 10⁴ до 10¹⁴ г/см³. В эту эру основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами. Происходят взаимные превращения протонов в нейтроны и наоборот. Постепенно накапливаются мю-мезоны, электроны, нейтрино и их античастицы. В конце эры лептонов происходит аннигиляция частиц и античастиц. Таким образом, во Вселенной античастицы исчезают, остаются частицы и излучения. Вселенная становится прозрачной для электронных нейтрино. Эти нейтрино сохранились и до нашего времени.

3. Эра радиации.Еепродолжительность 70 млн. лет, температура уменьшается от 10¹⁰ К до 3000 К, а плотность от 10⁴ до 10^-21 г/см³. К началу эры радиации количество протонов и нейтронов примерно равно. При уменьшении температуры количество протонов становится большеиз-за распада нейтронов. В конце эры возникают условия для образования первичных атомов, в результате чего начинается новая эра - эра вещества.

4. Эра вещества. Эта эра наступила через 70 млн. лет после «Большого взрыва» с температурой около 3000К и плотностью порядка 10⁴ г/см³. В начале эры плотность радиации и плотность вещества (частиц) была равной - около 10⁻²⁶ г/см³ , они находились в условиях теплового равновесия. При равновесии эволюционный процесс не происходит, т.е. материя не может усложняться. Однако по мере расширения Вселенной, охлаждения вещества и охлаждения радиации происходят по разным законам. Температура вещества уменьшается обратно пропорционально квадрату размера Вселенной: Т_{вещества}~1/R². Температура радиации уменьшается обратно пропорционально размеру Вселенной: Т_{радиация}~1/R.Следовательно, вещество остывает значительно быстрее. Вселенная от равновесного состояния переходит к неравновесному состоянию. Силы гравитации порождают неустойчивость, а турбулентное движение создает ударные волны. Все это приводит к фрагментации материи Вселенной. Образуются маленькие и большие газовые облака, состоящие из радиации, элементарных частиц, атомов водорода и гелия. В интервале времени, от 3 ч. до 3 миллионов лет, из маленьких облаков образуются звезды, а из больших облаков образуются целые галактики.

Механизм возникновение звёзд американский ученый Трюмплер (1930) первым объяснилтем, что газопылевое облако сжимается и нагревается, давление и температура внутри растут, замедляя сжатие. При 20 миллионов градусов начинается ядерная реакция, происходит взрыв, и возникает новая звезда. Наше Солнце проделало такой путь примерно за 1 млн. лет, около 5 млрд. лет назад.

Реликтовое излучение.

Американские ученые астрофизики Анро Пенчиос и Роберт Вильсон в 1965 году открыли реликтовую радиацию,т.е.остаточную от «Большого взрыва» радиацию, которая заполнила всю Метагалактику. Реликтовая радиация представляет собой совокупность электромагнитных волн, среди которых больше всего волн миллиметрового радиодиапазона. Максимум интенсивности реликтовых излучений приходится на длину волны λ=7,35 см, существование которых в 1948 году предсказал Гамов. Плотность реликтового излучения составляет 3·10⁻³⁴ г/см³, а плотность вещества - 3·10⁻³¹ г/см³, т.е.в1000 раз больше реликтового излучения. Существование реликтового излучения является прямым доказательством теории «Большого взрыва». Теория стационарной Вселенной не предсказала существования реликтового излучения.

После нуклеосинтеза остатки излучения продолжали движение вместе с веществом, в расширяющейся Вселенной. Она сохранилась до нашего времени в виде реликтового излучения. Температуру Метагалактики определили при помощи реликтового излучения, она в настоящее время составляет около 5 K. Эта температура по истечении времени понижается из-за расширения.