§3. Теории эволюции Вселенной

Есть несколько гипотетических сценариев эволюции Вселенной, основанных на данных астрономических наблюдений и различных предположениях и закономерностях физики элементарных частиц. Их можно сгруппировать в две группы: дисперсные теории и эруптивные теории.

1. Дисперсные теории,. К ним относятся теории горячей Вселенной и все модификации инфляционных теорий. Их особенностью является предположение, что в первые мгновения после состояния сингулярной точки Вселенная была наполнена фундаментальными элементарными частицами, которые в дальнейшем реагировали между собой и образовывались их ансамбли в виде вторичных, третичных и т.д. элементарных частиц, лептонов, барионов и прочего спектра объектов Вселенной. Большой Взрыв – это рассыпание сингулярной точки Вселенной на множество фундаментальных элементарных единиц (дисперсия).

«...Фундаментальная частица – бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную...».

В настоящее время термин «фундаментальные элементарные частицы» применяется преимущественно для лептонов и кварков (по 6 частиц каждого рода, вместе с античастицами, всего набор состоит из 24 фундаментальных частиц) в совокупности с калибровочными бозонами, которые являются частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий ^[60].

Но, вероятно, это неверно, потому что лептоны и кварки появились значительно позднее после Большого Взрыва и они уже должны были быть ансамблями фундаментальных элементарных частиц.

а. Теория горячей Вселенной. По этим представлениям с небольшими модификациями Вселенная сначала представляла из себя одну сингулярную точку, которая по неизвестной причине «взорвалась», получив колоссальный импульс энергии, в результате чего появилась очень горячая Вселенная (Гамов, 1948), заполненная фундаментальными элементарными частицами, разлетающимися в разные стороны рис. 49).

Гипотеза Г. А. Гамова о «горячей вселенной» построена на теории расширяющейся вселенной Фридмана. По Фридману, вначале был взрыв. Он произошёл одновременно и повсюду во Вселенной, заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые тела Вселенной — Солнце, звёзды, галактики и планеты, в том числе Земля и всё что на ней. Гамов добавил к этому, что первичное вещество мира было не только очень плотным, но и очень горячим. Идея Гамова состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут были синтезированы лёгкие химические элементы. Самым эффектным результатом этой теории стало предсказание космического фона излучения (реликтовое излучение ^[42}). Электромагнитное излучение должно было, по законам термодинамики, существовать вместе с горячим веществом в «горячую» эпоху ранней Вселенной. Оно не исчезает при общем расширении мира и сохраняется (сильно охлаждённым) и до сих пор. Гамов и его сотрудники смогли ориентировочно оценить, какова должна быть сегодняшняя температура этого остаточного излучения. У них получалось, что это очень низкая температура, близкая к абсолютному нулю. С учётом возможных неопределённостей, неизбежных при весьма ненадёжных астрономических данных об общих параметрах Вселенной как целого и скудных сведениях о ядерных константах, предсказанная температура должна была лежать в пределах от 1 до 10 К. В 1950 году в одной научно-популярной статье (Physics Today, № 8, стр. 76) Гамов объявил, что скорее всего температура космического излучения составляет примерно 3 К (сегодня определено как 2,725 К ^[60]).

Рис. 49. Модель горячей Вселенной.

В дальнейшем, по мере расширения Вселенной она остывала и элементарные частицы взаимодействовали между собой, образуя ансамбли в виде вторичных, третичных и т.д., элементарных частиц и элементов атомов (барио- и нуклеогенез) водорода и гелия, из которых затем, путем сгущений, образовались первичные звезды и их скопления – галактики.

Однако принятию стандартной модели горячей Вселенной мешают:

Поэтому модель горячей Вселенной была пересмотрена и сейчас есть несколько вариантов инфляционной модели расширения Вселенной.

в. Теории инфляции Вселенной. Центральной идеей этих моделей является предположение о чрезвычайно быстром раздувании (инфляции) Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва (рис. 50).

Рис. 50. Происхождение Вселенной из космологической сингулярности (снимок взят из ^[44]).

Модель инфляции Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва позволила решить некоторые проблемы модели горячей Вселенной:

Модель горячей Вселенной и все модели инфляции отличаются только деталями начальной стадии эволюции Вселенной (стадия инфляции). В остальном они подобны. Ранняя Вселенная представляла собой однородную и изотропную среду из фундаментальных элементарных частиц с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением и очень быстрым расширением (раздуванием, инфляцией).

Плотность энергии, температура и давление определяются их носителями (переносчиками). Не может быть температуры без каких-либо тел, потому что температура является эквивалентом скорости движения какого либо тела (корпускулы, элементарной частицы, атома, молекулы). То же касается энергии и давления. Поэтому, вероятно, первыми из сингулярной точки появились фундаментальные элементарные частицы и они были теми первичными носителями температуры, энергии и давления. Эти же частицы определили и пространство, которое они занимали в то время.

Предполагается, что после окончания периода инфляции строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму.

Это были первые усложнения Мира – объединение первичных элементарных частиц в ансамбли – глюоны и кварки. Падение температуры привело к фазовому переходу　— образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. Эти фазовые переходы аналогичны конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам. По прошествии времени Вселенная расширилась настолько, что температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как – протоны и нейтроны. Затем наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов, получилось то вещество, из которого можно было строить все остальное, что и произошло. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии). После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения. После этого газ сгруппировался в сгустки и появились звезды и, в дальнейшем, галактики.

Таким образом, по современным представлениям, с учетом последних достижений наблюдательной, спутниковой и радиоастрономиии, Вселенная возникла 13,7 ± 0,2 млрд лет назад из некого начального «сингулярного» состояния (сингулярной точки) с гигантскими температурой и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается ^[59]. Вначале содержимым Вселенной были гипотетические истинные фундаментальные элементарные частицы, которые, прореагировав между собой, в конечном итоге образовали атомы водорода и гелия. Затем облака этих газов сконденсировались под влиянием сил гравитации и образовались первичные звезды, в которых стали протекать термоядерные реакции и таким путем синтезировались ядра всех остальных элементов таблицы Менделеева. Эти звезды взорвались, снабдив Вселенную облаками пыли и газа из тяжелых химических элементов. Из этих облаков сконденсировались вторичные и третичные звезды и с ними планетные системы, образовались галактики и появился мир минералов. На это ушло около 10 млрд лет и только после этого появилась жизнь и миры растений, животных и человека (известно только на примере Земли).

Рис. 51. Большой Взрыв, последовательные стадии появления элементарных частиц из сингулярной точки в классической модели расширения Вселенной.

А – сингулярная точка; В – первая генерация появления элементарных частиц, отделившиеся от сингулярной точки в первый миг Вселенной; С – разлет первой генерации элементарных частиц; D – вторая генерация элементарных частиц; Е – последующие генерации элементарных частиц. Элементарные частицы никогда не встретятся друг с другом в равномерно расширяющейся Вселенной и не будут взаимодействовать.

Недостатки дисперсных теорий. Фундаментальные элементарные частицы могут появляться из сингулярной точки последовательно (рис. 51) или одномоментно (рис. 52). Независимо от этого возникают вопросы:

Согласно этим теориям в момент Большого Взрыва все фундаментальные элементарные частицы происходят из одной сингулярной точки и разлетаются в разные стороны с высокой степенью симметрии и однородности, реагируя между собой.

Но такой сценарий невозможен, потому что реакции между элементарными частицами не могут происходить вследствие их взаимного удаления. Эволюция Вселенной проявлялась бы только в ее расширении, т.е., разбегании ее частиц и никаких других эволюций не было бы, потому что Большой Взрыв по такому сценарию – это разбегание элементарных частиц из единого центра (сингулярной точки) в разные стороны с равноудалением их друг от друга и никакого взаимодействия между ними не должно было быть, потому что они все время удалялись бы друг от друга (рис. 51С-Е). Чтобы между ними происходило какое-либо взаимодействие они должны были сближаться.

При последовательном появлении элементарных частиц из сингулярной точки должны быть волны их генераций. Непонятно, что заставляет частицы покидать сингулярную точку, потому что, судя по теории черных дыр ^[49], ничто не может покинуть ее. Но даже если есть какой-либо такой механизм, сколько бы ни было таких волн, если нет анизотропии распределения вещества во Вселенной, то элементарные частицы никогда не должны взаимодействовать друг с другом, потому что они все взаимно удаляются друг от друга и между ними всегда будет все увеличивающееся расстояние. В таком случае была бы расширяющаяся Вселенная, заполненная только движущимися фундаментальными элементарными частицами.

Рис. 52. Большой Взрыв, одномоментное появление всех элементарных частиц Вселенной из сингулярной точки в классической модели расширения Вселенной.

А – сингулярная точка; В – одномоментное появление всех элементарных частиц Вселенной; С – разлет элементарных частиц. Элементарные частицы никогда не встретятся друг с другом в равномерно расширяющейся Вселенной и не будут взаимодействовать.

Мало что меняется и при одномоментном появлении фундаментальных элементарных частиц из сингулярной точки (рис. 52), разве что появляются дополнительные вопросы:

И хотя одномоментное появление сразу всех элементарных частиц из сингулярной точки порождает инфляцию Вселенной, все равно не решается проблема взаимодействия элементарных частиц, потому что даже если они в момент их одновременного появления начнут реагировать, то затем начнут разлетаться в разные стороны и последующие их взаимодействия прекратятся (рис. 52).

3. Эруптивные теории (теории распада). К ним относятся теории, разработанные армянской школой астрономии, основанной академиком Амбарцумяном В.А., который разработал новую гипотезу о дозвёздной материи, имеющую принципиальное значение ^[2]. В отличие от классической (дисперсной) гипотезы, согласно которой звёзды формируются в результате конденсации (сгущения) ранее дисперсной диффузной материи из первичных элементарных частиц, новая гипотеза исходила из представления о существовании массивных тел — протозвёзд неизвестной природы, в результате распада которых формируются звёзды в ассоциациях. Ему принадлежит понятие об активных телах незвездной природы, входящих в состав ядер некоторых типов галактик. Его последователи, Маркарян Б.Е., Товмасян Г., Хачикян Э., Аракеляном М. и др., путем наблюдений ультрафиолетового и радиоизлучения ядер галактик, полностью подтвердили мировоззрения Амбарцумяна В.А.

Эти теории хорошо согласуются с данными наблюдений за сверхдалекими объектами нашей Вселенной, отстоящих от нас на расстояниях и, следовательно, времени своего существования, на многие миллиарды лет, то есть, почти в самом начале времен.

Квазары являются наиболее характерными объектами, наполнявшими Вселенную около 10 млрд лет назад. До недавнего времени в звездной астрономии считалось, что масса звезд не может превосходить массу Солнца более чем в 100 раз. В противном случае звезда окажется неустойчивой и распадется. Однако, Хойл и Фаулер предположили, что временами внутри ядер галактик, вследствие сгущения межзвездного газа, могут возникать «сверхзвезды» с массами, превосходящими солнечную в сотни тысяч и даже сотни миллионов раз.

Согласно первоначальной идее Хойла и Фаулера сверхзвезды образуются в результате сгущения межзвездного газа. Но дело в том, что сжатие очень больших газовых масс, происходящее под действием собственной гравитации, как показал академик Я. Б. Зельдович, может при определенных условиях происходить без задержки. Повышение температуры и давления внутренней зоны такого сгустка оказывается недостаточным, чтобы воспрепятствовать дальнейшему сжатию. Происходит так называемый гравитационный коллапс—неудержимое сжатие всей массы газа. Любопытно, что масса вещества, принимающего участие в гравитационном коллапсе, должна составлять 107—108 солнечных масс. В результате появляются так называемые черные дыры – массивные тела, во много раз превосходящие массу Солнца, но сколлапсировавшие в сингулярную точку.

Квазары, возможно являются черными дырами, но по какой-то пока неясной причине, в них происходит процесс антиколлапса – генерация и выделение больших масс вещества. На это же указывает большое сходство квазаров с ядрами спиральных и некоторых других галактик. Известно, что ядра спиральных галактик выделяют огромные массы газа, который сгущаясь образует звезды и из этих звезд образуются звездные рукава галактик. Эти рукава потому и закручены в виде спирали, потому что ядро галактики (квазар) вращается вокруг своей оси и звезды, имея центростремительное движение и постоянную линейную скорость движения, которую они получили в момент их образования возле ядра, постепенно уменьшают свою угловую скорость, удаляясь от центра галактик. В любом случае спиральность рукавов галактик указывает на происхождение звезд из вращающегося ядра галактик, которым является квазар.

На еще большем удалении от нас, т.е., еще ближе к моменту Большого Взрыва, не видно уже никаких образований и тел типа квазаров, галактик или звезд, хотя в инфракрасном диапазоне видны гигантские неоднородности излучения, которые принимают за скопления звезд первого поколения (рис. 53) ^[16].

Рис. 53. Первые звезды Вселенной?

А – инфракрасный фон удаленных областей Вселенной; В – тот же участок неба, видимый в обычный телескоп – все точки звезд принадлежат нашей Галактике.

Пояснение: Какими были самые первые звезды? Никто пока не знает точного ответа. Наше Солнце – это не звезда первого поколения. Она не принадлежит даже к второму поколению. Первые звезды во Вселенной возникли и погасли около 13 миллиардов лет назад. Однако глубокие наблюдения с помощью космического телескопа Спитцера в инфракрасном диапазоне позволили обнаружить диффузное свечение, возможно, от звезд первого поколения с массой, более чем в сто раз превосходящей массу нашего Солнца. На этом изображении показано свечение инфракрасного фона. Яркие пятна, вероятно, возникли в скоплениях этих первых объектов. Области, окрашенные в серый цвет – это места, где находятся близкие звезды нашей Галактики Млечный Путь, которые были удалены при цифровой обработке (Перевод: Д.Ю.Цветков).

(Авторы: НАСА/Лаборатория реактивного движения - Калтех/А. Кашлински (Центр космических полетов им. Годдарда) и др., http://www.astronet.ru/db/msg/1219128)

Однако по размерам эти неоднородности слишком велики даже для гигантских звезд. Кроме того, согласно принятой точке зрения, скопления звезд первого поколения сконденсировались и сгенерировали квазары, которые затем опять стали генерировать звезды. Это что, циклический процесс? Но главное – эти неоднородности излучения не вращаются, это видно по фотографии этих областей (не видно турбуленций, рис. 53), в то время как ядра галактик, т.е., квазары, вращаются. Следовательно, эти неоднородности не могут быть обычным веществом первичных звезд и, возможно, их источником являются какие-то другие процессы, не связанные с процессом звездообразования.

Если продолжить логику событий в соответствии с эруптивной теорией, то в черно-белом варианте получается, что первичная сингулярная точка «развалилась на куски» (квазары), которые стали генерировать фундаментальные элементарные частицы (начало дисперсии) и далее читай выше – по сценарию горячей или инфляционной Вселенной.

Недостатки эруптивных теорий. Эти теории хорошо согласуются с данными наблюдений за ядрами галактик и квазарами, но нет теоретического аппарата их описания. Естественно, если эта концепция верна, то все дисперсные теории требуют коренного пересмотра.

Что было перед Большим Взрывом никто не знает, но есть несколько оригинальных версий.