Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская

Можно считать случайным, что вычисление средней плотности массы нейтрино дает приблизительно 10-29 грамма на кубический сантиметр. Эта величина многозначительна — она совпадает с критической плотностью, определяющей судьбу Вселенной Фридмана — Эйнштейна. Но нельзя отмахнуться от того, что именно к этой величине приводят все современные варианты сценариев эволюции Вселенной. Уточнение величины массы всех трех сортов нейтрино решит вопрос о том, будет ли Вселенная расширяться вечно. Или гравитация совокупной массы нейтрино через миллиарды лет остановит ее расширение и превратит его в последующее сжатие, а это закончится грандиозным коллапсом — Вселенная вновь сосредоточится в ничтожном начальном объеме.

Теперь мы готовы вместе с учеными проследить за ходом эволюции Вселенной после того, как она стала прозрачной для реликтового излучения. После этого рубежа должны были сформироваться галактики и звезды. Но ученые не могли продвинуться за этот рубеж столь же уверенно, как они подошли к нему, все более удаляясь от Большого взрыва. Самые современные сценарии требовали искусственных предположений для того, чтобы избежать противоречий с наблюдениями астрофизиков.

Прежде чем продвигаться вперед, ученые должны были привести в порядок тылы. Пересмотреть сценарий эволюции Вселенной, составленный тогда, когда авторы сценария считали нейтрино лишенными массы покоя и движущимися всегда со скоростью света.

ГЛАВА 8

ОТ НАСТОЯЩЕГО К БУДУЩЕМУ

Где начало того конца, которым оканчивается начало?

Козьма Прутков

Смена ролей

Вспомним начало существования Вселенной — сверхгорячая плазма, в которой постоянно рождались и аннигилировали все известные и еще не известные частицы. В то время плотность массы этого конгломерата частиц была больше плотности ложного вакуума. Затем, в ходе фридмановского расширения, когда объем Вселенной быстро увеличивался, средняя плотность массы этих частиц стала меньше плотности ложного вакуума. И его внутреннее давление, преодолевая тяготение вещества, заставляет Вселенную расширяться во все ускоряющемся темпе, не менее чем в 1050 раз. При этом исходное вещество, распределившись по этому огромному объему, перестало играть роль в дальнейшей эволюции.

Все детали раннего периода эволюции Вселенной «забылись». Дальнейшая эволюция Вселенной не зависит от начальных условий. Космология окончательно освободилась от ссылок на акт божественного творения.

Ускоряющийся рост объема Вселенной прекратился из-за того, что ложный вакуум потерял устойчивость и распался, порождая массу элементарных частиц, нагретых приблизительно до 1023 К. Теперь все идет совершенно закономерно, в соответствии со стандартным сценарием. Вселенная заполнена фотонами, лептонами, кварками, антилептонами и антикварками.

В ходе дальнейшего охлаждения частицы аннигилировали с античастицами, порождая фотоны. Это продолжалось до тех пор, пока не осталось «небольшого» количества частиц, для которых не нашлось античастиц. И, не имея возможности аннигилировать, они стали тем, из чего сформировалось все вещество современной Вселенной.

Написав «небольшое» количество», мы имели в виду, что одна частица приходилась на миллиард фотонов и миллиард нейтрино.

Здесь начинается различие между предсказанием и реальностью.

Еще недавно считалось, что основную часть плотности массы Вселенной составляет обычное вещество. Подсчеты показывали, что средняя плотность массы обычного вещества составляет примерно 3 10-31 грамма на кубический сантиметр, а плотность массы реликтовых фотонов и нейтрино вместе 10-33 грамма на кубический сантиметр.

Теперь мы знаем, что средняя плотность массы реликтовых нейтрино близка к 10-29 грамма на кубический сантиметр.

Роли вещества и нейтрино в дальнейшей эволюции Вселенной поменялись. Теперь оказалось, что главное определяют нейтрино, а обычное вещество играет подчиненную роль.

Мы знаем, что на рубеже первой секунды при температуре 1010 К средняя плотность массы Вселенной уменьшилась настолько, что нейтрино, двигавшиеся при этой температуре со скоростями, близкими к скорости света, практически перестали взаимодействовать с обычным веществом, свободно перемещаясь в расширяющемся пространстве. При этом средняя плотность массы нейтрино во Вселенной всюду одинакова, так как любое малое сгущение рассасывается за счет ухода из него более быстрых нейтрино.

По мере расширения Вселенной, а в это время оно происходит в соответствии со стандартным сценарием, то есть по Фридману, нейтрино, как и остальное вещество, непрерывно остывают, а скорость их движения соответственно убывает. Расчеты показывают, что вследствие этого в стандартном сценарии возникает новый характерный рубеж. Приблизительно через 300 лет после Большого взрыва скорость нейтрино падает настолько, что они не успевают выравнивать случайные неоднородности своего распределения в пространстве. Это значит, что выравнивание средней плотности нейтрино успело произойти только в областях, размеры которых через 300 лет после начала расширения Вселенной не превышали 300 световых лет.

Теперь, когда уменьшившаяся скорость нейтрино не позволяет им выравнивать случайные отклонения плотности в областях этих размеров, гравитационные силы начинают стягивать эти области к их центру. Астрофизики сумели вычислить, какова суммарная масса всех нейтрино, заключенных в таких областях. Она оказалась огромной, равной приблизительно 1015 солнечных масс.

Еще в середине семидесятых годов Зельдович установил, что процесс сжатия в космосе огромных масс силами тяготения оказывается неустойчивым. Хотя первоначально сила тяжести, действующая на каждую частицу, направлена к центру их масс, частицы, вопреки мнению Ньютона, не соберутся в сферическое тело. Космические структуры, образующиеся в таких условиях, оказываются сильно сплюснутыми. Зельдович назвал их блинами. Такими плоскими дисками предстает перед астрономами подавляющее большинство галактик, в том числе и наша Галактика.

Проводя эти исследования, Зельдович не ограничивался определенными частицами. Его выводы применимы и к нейтрино.

Ввиду того что исходные неоднородности, дающие начало образованию блинов, расположены хаотически, столь же хаотическим оказывается расположение блинов. Соприкасаясь между собой, они образуют незримые гигантские нейтринные соты. Между стенками сотов очень мало нейтрино и обычного вещества.

Процесс образования нейтринных сотов длится миллионы лет. Гравитация, обусловленная нейтрино, увлекает за собой и обычное вещество. Лишь фотоны, для которых Вселенная уже давно (после 3 105 —5 105 лет) прозрачна, продолжают расширяться вместе со Вселенной. Плотность их распределения в пространстве сохраняет однородность. Их температура постепенно уменьшается к ее современному значению 2,7 К. Вместе со Вселенной продолжают разбегаться и центры огромных масс, образующих блины: блины растягиваются, основное количество нейтрино оказывается сосредоточенным там, где соприкасаются два или три блина.

Именно в этих областях под влиянием гравитации, обусловленной нейтрино, возникают скопления обычного вещества, из которого формируются скопления галактик, галактики и звезды.

Мы знаем, что общая масса нейтрино в таком блине равна 1015 солнечных масс. А обычного вещества в нем в 30 раз меньше. Значит, количество обычного вещества, сосредоточенного здесь, составляет 3 1013 солнечных масс.

Эти результаты хорошо согласуются с астрономическими данными о форме и