Лев Мухин - Мир астрономии

Заметим, что субстрата для образования атомов водорода в ранней Вселенной более чем достаточно. Это протоны и электроны. А вот при миллиарде градусов начинается уже синтез ядер атома гелия. Этот синтез проходит в несколько этапов. Сначала протоны захватывают нейтроны и образуются ядра дейтерия: р + n → D + γ . Два ядра дейтерия, взаимодействуя между собой, могут образовать изотоп гелия гелий-3 и изотоп водорода — тритий:

D + D → 3 H + p

D + D → 3 He + n → 3 H + p .

Далее тритий, взаимодействуя с дейтерием, дает окончательно гелий-4:

3 H + D → 4 He + n .

В этих условиях, казалось бы, самое время «свариться» и другим элементам, более тяжелым, чем водород и гелий. К примеру, почему бы путем столкновений между теми же ядрами гелия или ядер гелия с нейтронами и протонами не получить новые элементы?

Но природа поставила здесь барьер, и барьер этот непреодолим: не существует стабильных изотопов с массой 5 или 8. Поэтому в гигантской водородной бомбе, которой была наша Вселенная миллиарды лет назад, синтезировались лишь легкие элементы — водород, гелий да немного лития. Разумеется, сегодня мы видим вокруг нас не только гелий и водород, но и массу других элементов. Но для образования этих элементов нужны другие условия, нежели те, что были в ранней Вселенной. В частности, нужна большая температура и плотность в течение более длительного времени. Когда в дальнейшем мы будем говорить о звездах, мы увидим, как синтезируются в природе более тяжелые элементы.

Процесс синтеза ядер легких элементов продолжался около трех минут после начала Большого Взрыва. С падением температуры синтез гелия прекратился, и теперь уже «заморозились», то есть остались неизменными, относительные концентрации гелия и водорода: ядра водорода составляли 70 процентов вещества Вселенной, ядра атомов гелия — 30.

Необходимо заметить, что отношение концентраций ядер гелия и водорода друг к другу сильно зависит от темпа расширения и, соответственно, от средней плотности вещества во Вселенной. Поэтому в какой-то мере это отношение может использоваться для проверки правильности той или иной космологической модели. Оценки содержания гелия в горячих звездах во внешней атмосфере Солнца, в солнечном ветре и т. д. дает достаточное основание для подтверждения правильности «стандартной» теории (дающей цифру в 30 процентов для гелия).

Кроме термоядерного синтеза легких элементов, в первые секунды происходил еще один очень важный и бурный процесс. Мы уже говорили о том, что в состав горячего вещества Вселенной входили лептоны — легкие частицы, и сейчас нам надо посмотреть, что происходило с электронами, позитронами и нейтрино по мере остывания гигантского первичного котла. При температурах выше примерно пяти миллиардов градусов электроны и позитроны присутствуют в раскаленной плазме в одинаковых концентрациях. Конечно, реакции аннигиляции, происходящие при столкновении электрона и позитрона, идут при любой температуре: e + + e – → 2γ; e + + e – → 2ν + ν –. Но при высокой температуре эти реакции компенсируются процессом рождения пар: γ + γ → e – + e +или ν + ν – → e + + e –.

С падением температуры реакции аннигиляции становятся «главными», так как энергии частиц для рождения пар уже не хватает.

Нейтрино исключительно слабо взаимодействуют с веществом, для них прозрачен даже наш земной шар. Поэтому примерно через 0,3 секунды после Большого Взрыва нейтрино начинают «игнорировать» все вещество Вселенной (включая, конечно, и электроны с позитронами). Их число уже не меняется. Говорят, что произошло отделение нейтрино от вещества. Этот процесс происходит при температуре больше десяти миллиардов градусов.

С понижением температуры продолжает играть роль реакция рождения электронов и позитронов из энергичных фотонов, но при пяти миллиардах градусов идет уже только реакция аннигиляции. Это приводит к тому, что излучение становится главной, основной частью Вселенной.

Реакции аннигиляции несколько подогревают наш мир, но конец взаимодействия лептонов, конец лептонной эры уже близок. Ее сменяет эра радиации, или, как ее еще называют, эра фотонной плазмы. Напомним, что число фотонов в миллиард раз превышает к этому моменту число выживших протонов.

Итак, бурная молодость Вселенной закончилась. Она была непродолжительной. Что значат несколько минут по сравнению с многими миллиардами лет?

Но именно эти несколько минут определили весь будущий облик нашего мира. Изменись хоть немного темп расширения Вселенной в эти первые сотни секунд, изменился бы и химический состав Вселенной. Например, если бы «замораживание» нейтронно-протонного состава произошло раньше, чем через одну секунду после Большого Взрыва, то бóльшая часть вещества Вселенной состояла бы не из водорода, а из гелия, и наверняка мы имели бы совершенно другой мир, чем тот, который перед нами сегодня.

Итак, когда прошли процессы аннигиляции, главную массу вещества Вселенной составляли фотоны, нейтрино и примесь высокотемпературной нейтральной плазмы, состоящей из протонов, ядер атомов гелия и электронов. Нейтрино, как мы уже говорили, с веществом не взаимодействует, а фотоны, наоборот, энергично рассеиваются на электронах, и поэтому вещество для них непрозрачно. Но с понижением температуры фотоны постепенно теряли свою энергию и в конце концов, когда «термометр» стал показывать примерно 4000 K, начались процессы рекомбинации электронов и ядер атомов гелия.

Энергии фотонов уже недостаточно, чтобы ионизировать атомы, и во Вселенной появляются сначала атомы гелия, а затем и водорода, который становится главным элементом мира.

Процесс рекомбинации начался, когда Вселенной было около 300 тысяч лет, и закончился еще через 700 тысяч лет. Этот период также очень важен для космологии. Фотоны, как мы знаем, взаимодействовали с высокотемпературной плазмой, и она была для них непрозрачной. Но, как только гелий и водород стали нейтральными, фотоны получили возможность распространяться свободно, произошло, как принято говорить в космологии, отделение вещества от излучения. С этого момента Вселенная стала прозрачной для фотонов, а они продолжали остывать по мере расширения Вселенной.

Как мы знаем по температуре реликтового излучения, «остыли» они довольно сильно, от 4000 K до 3 K, то есть температура уменьшилась за это время более чем в тысячу раз. Ну а Вселенная соответственно увеличила свои размеры примерно в тысячу раз.

Итак, мы остановились на моменте времени, когда Вселенная еще молода. Ей примерно миллион лет. Она заполнена фотонами, водородом, гелием и нейтрино. Правда, многие физики уверены в том, что есть еще целый зоопарк различных таинственных частиц, в частности гравитонов и монополей.