Глава 32. Модель горячей Вселенной. Гипотеза Большого Взрыва.

Большинство существующих космологических теорий опирается на теорию тяготения, физику элементарных частиц, общую теорию относительности и другие фундаментальные физические теории и, конечно, на астрономические наблюдения.

Различные гипотезы об образовании Солнечной системы, планет и звезд, опиравшиеся на механику Ньютона и на законы тяготения, выдвигались учеными начиная с XVIIIвека. Все эти гипотезы рассматривали процессы формирования космических тел из облаков холодного газа или пылевых частиц путем их конденсации под действием вращения и сил тяготения. Таковы гипотезы Канта, Лапласа-Роша, Шмидта и Фесенкова. Однако, поразительные открытия, сделанные астрономией в 60-80-х годах XX века, потребовали коренного пересмотра всей системы представлений о рождении и формировании Вселенной.

Именно работа Хаббла дала толчок развитию идеи горячейВселенной, и Большого Взрыва, как начала ее существования. Автором этой идеи в 1947 году стал Джордж Гамов, российский ученый, эмигрировавший в США в 1933 году.

Рис.32/1. Джордж Гамов(Георгий Александрович Гамов, 1907 - 1968)

Оформлению модели горячейВселенной предшествовали многие наблюдаемые астрономией явления и факты. Оказалось, что процессы взрывного характера чрезвычайно распространены во Вселенной. Мы уже говорили о взрывах сверхновых звезд, о грандиозном взрыве в ядре галактики NGC3034, о процессах, протекающих в квазарах и других активных космических объектах. Все эти данные показывают, что в масштабах Вселенной взрывные процессы – не исключение, а правило. Гипотеза о формировании космических тел путем их конденсации из холодной туманности не в состоянии объяснить эти процессы.

Более того, в 1965 году был открыт факт, что излучение, испущенное горячим газом миллиарды лет назад, еще до образования галактик, приходит к нам с больших расстояний до сих пор. Это излучение было названо фоновым реликтовым излучением. Его существование было теоретически предсказано задолго до обнаружения. Это излучение приходит равномерно со всех направлений неба, пронизывает всю наблюдаемую Вселенную. По расчетам, фоновому излучению соответствует температура 3 К. Компьютерные расчеты подтвердили, что это как раз та величина, которую можно ожидать в настоящее время, исходя из вычисленного по закону Хаббла возраста наблюдаемой Вселенной.

Рис.32/2. Карта фонового реликтового излучения, орбитальная обсерватория «Планк», 2009 – 2013.

Модель горячейВселенной предполагает, что примерно 13 млрд. лет назад существовала некоторая точка сингулярности – «зародыш» будущей Вселенной, представлявшая собой сжатую до сверхплотного состояния материю.

Рис.32/3. Стрела времени с момента Большого Взрыва.

ЭволюцияВселенной начинается с состояния плотной горячей плазмы, состоящей из элементарных частиц, и протекает при дальнейшем космологическом расширении. Модель горячейВселенной, хорошо описывая процессы эволюции, начиная с 10^-35 секунды после ее возникновения, не могла объяснить некоторые наблюдавшиеся в настоящее время факты и явления. Эти недостатки были устранены созданиеминфляционной моделиВселенной (лат. inflatio «вздутие»). Это гипотеза о физическом состоянии и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва (при температуре выше 10²⁸ K), предполагающая период ускоренного по сравнению со стандартной моделью горячейВселенной расширения.

Теория инфляции дала объяснение событиям, происходившим в период от 10^-48 до 10^-35 секунд, исходя из предположения о ложном вакууме, обладающем ненулевой плотностью материи.

Благодаря случайному туннельному «просачиванию» в среде ложного вакуума возникают состояния обычного вакуума в виде отдельных областей, называемых пузырями. Один из таких пузырей стал зародышем нашей Вселенной; из других возникли другие Вселенные, не связанные с нашей причинно-следственными связями и поэтому для нас ненаблюдаемые. С момента образования нашего «пузыря» - то есть, нашей Вселенной – развитие событий идет по сценарию Большого Взрыва. При переходе из ложного вакуума, обладавшего положительной плотностью материи, в обычный, обладающий нулевой плотностью, выделяющаяся энергия привела к разогреванию материи до 10³² К. Из-за очень быстрого расширения на стадии инфляции процесс не мог протекать равномерно. Неизбежные флуктуации (отклонения от равномерности) привели к небольшим первичным неоднородностям в распределении материи и излучения в пределах нашего «пузыря».

В результате космической инфляцииВселенная за 10^-32 секунды расширилась в 100 триллионов раз с переходом энергии поля в энергию частиц. В таких условиях при расширении проявились квантовые эффекты. Они и объясняют вариации плотности вещества в разных районах Вселенной. Другими словами, нынешние звезды и галактики сформировались в тех районах, где была повышенная плотность вещества из-за квантовых эффектов при инфляции. Сам факт существования реликтового излучения — это одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.Карта фонового излучения с обсерватории «Планк» дает понять, как выглядела Вселенная через 370 тыс. лет после Большого взрыва.

Рассмотрим подробнее «стрелу времени» Большого Взрыва (по В.Н.Лозовскому, 2004 год, Санкт-Петербург)

1.В период от 10^-43 до 10^-35 секунд материя существовала в виде излучения и сверхгорячей плазмы, состоящей из множества рождающихся и аннигилирующих частиц и античастиц. Для эволюции нашей Вселенной оказалось важным, что число частиц и античастиц различалось примерно на 10^-7% в пользу частиц, поэтому в процессе аннигиляции античастицы исчезли, а оставшиеся частицы и образовали нашу Вселенную. (Эра Великого объединения).

2.В период с 10^-35 до 10^-4 секунды температура упала с 10²⁸ до 10¹² К и образовались протоны, нейтроны, электроны, которые пока не играли большой роли, так как не могли удерживаться около тяжелых частиц.(Эра адронов).

3.В период с 10^-4 до 10 секунд Вселенная остыла до 10¹⁰ К.Аннигиляция электронов и позитронов завершилась с избытком электронов, который и определяет их количество во Вселенной в наше время. С участием нейтрино протекало взаимодействие между протонами и нейтронами, в результате которых отношение нейтронов к протонам стремится к 15%. (Эра лептонов).

4.В период с 10 секунд до 10⁶ лет температура убывает от 10¹⁰ до 4000 К. Так как все процессы аннигиляции частиц и античастиц прошли с выделением излучения (фотонов), то основная энергия материи приходится на фотоны. В этот период из протонов и нейтронов стали возникать ядра изотопов водорода и гелия. До момента 10 000 лет нейтроны были полностью израсходованы на образование ядер гелия, и оставшиеся протоны реализовались как ядра водорода. Теория расширяющейся Вселенной позволяет объяснить наблюдаемое соотношение содержания водорода и гелия в звездах. Однако температура пока не позволяла электронам удерживаться около атомных ядер. (Эра фотонов).

5.При снижении температуры ниже 4000 К, через 10⁶ лет после начала эволюции Вселенной, электроны стали удерживаться возле ядер, образуя атомы водорода и гелия, активность взаимодействия фотонов с веществом резко ослабла. Произошло разделение вещества и излучения. «Отделившееся» от вещества излучение стало распространяться во Вселенной, продолжая охлаждаться по мере расширения Вселенной. Карта реликтового излучения — это карта нашей Вселенной за 30 тыс. лет до того, как из плазмы начали формироваться первые атомы. Сейчас температура излучения составляет 2,7°K и оно поступает со всех сторон практически равномерно.

6.Через 10⁶ лет после Большого Взрыва наступила эра звезд, или эра вещества, которая и продолжается до настоящего времени.

Рис.32/5. График, показывающий влияние инфляции Вселенной на дальнейшие сценарии ее развития (О – открытая, П – плоская, З – закрытая).

Гипотеза о спонтанных флуктуациях (пространственных неравномерностях) долгое время была чисто умозрительной. Однако, работы орбитальной обсерватории «Планк» по составлению карты фонового реликтового излучения показали, что такие флуктуации действительно могли существовать.

Рис.32/6. Карта фонового реликтового излучения (орбитальная обсерватория «Планк») с существующей аномалией.

Исследования космической обсерватории «Планк» также подтвердили существование двух интересных феноменов. Первый из них — изменение амплитуды температур в двух половинах Вселенной. Второй феномен - необычно большое холодное пятно, хорошо заметное на карте. Раньше думали, что это ошибка измерения, но обсерватория «Планк» предоставила более точную информацию, подтвердив эффект.

Таким образом, современная астрономия предоставляет все больше и больше наблюдательных фактов, которые служат доказательством гипотезы Большого Взрыва.