Стандартная Космологическая Модель.

Теперь мы начинаем обсуждение космологической эволюции после электрослабого и кварк-адронного переходов, Т > 10^-6 сек.

Тут предсказания теории уже вполне определенные: практически сразу после кварк-адронного перехода адронная компонента космологической плазмы состоит только из протонов и нейтронов, все остальные адроны к этому моменту уже либо распались, либо проаннигилировали. Поэтому адронная компонента определяется только БАВ. В лептонной компоненте присутствуют некоторое время мюоны, но они тоже довольно скоро распадаются. Космологическая плазма в основном содержит электрон-позитронные пары, фотоны и три сорта нейтрино. У нас есть очень хорошая теория такой плазмы. Отметим, что сразу после кварк-адронного перехода роль протонов и нейтронов в общей плотности энергии плазмы невелика.

Такая плазма называется радиационно-доминированной. В процессе ее охлаждения исчезают условия для существования электрон-позитронных e^-e⁺ пар; когда температура падает до массы покоя пары 2×0.5 МэВ = 1 МэВ, что соответствует примерно 1-2 сек от сингулярности, e⁺e^--пары аннигилируют. В плазме остаются фотоны и нейтрино, а также небольшой избыток электронов, точно равный числу протонов (Вселенная в целом электронейтральна!). И, конечно, протоны и нейтроны. Заметим, что последние можно в данном случае считать стабильными частицами – нейтроны распадаются примерно за 16 мин, а мы сейчас обсуждаем явления с характерными временами от 10^-6 до 1-10 сек.

5.1.Синтез легких элементов.

После кварк-адронного перехода в течение примерно 1 минуты жизни Вселенной основным явлением, происходящим в ней, является нуклеосинтез, т.е. образование из протонов и нейтронов, главным образом, ядер гелия, а также (в малых количествах) дейтерия, лития и бора. Прочих химических элементов производится совсем мало. Этот синтез химических элементов происходит при характерных временах порядка 1–10 сек после Большого Взрыва.

Из космологических наблюдений мы имеем довольно точные знания о количестве гелия, который сформировался в эпоху нуклеосинтеза. Относительно других легких элементов известно, что их сегодняшняя концентрация определяется не только процессами в эпоху нуклеосинтеза, но и некоторыми процессами эволюции звезд, то есть в близкую к нам эпоху. Тем не менее, существуют надежные способы оценок дополнительного производства химических элементов, поэтому, сколько их было произведено в эпоху нуклеосинтеза, мы можем оценить достаточно хорошо. Это означает, что химический состав Вселенной является хорошим тестом для выбора параметров космологической модели. Нуклеосинтез происходит в эпоху, когда подавляющая часть энергии Вселенной содержится в безмассовых фотонах и практически безмассовых нейтрино. В это время энергия нуклонной компоненты космологического газа, точнее, ее относительная величина очень мала. Тем не менее, от этой величины зависит конечный химический состав Вселенной. Изменяя отношение плотности барионов к плотности фотонов и нейтрино , можно получить мир с совершенно другим химическим составом. От величины d зависит относительная концентрация легких ядер в веществе Вселенной. Из всех величин в выражении для d наиболее точно известна плотность числа фотонов n_g – около 500 фотонов в кубическом сантиметре. Это следует из наблюдательных данных по реликтовому излучению. Нейтринная компонента непосредственно не регистрируется, хотя было бы хорошо иметь возможность использовать и методы нейтринной астрономии. Сегодня же мы можем рассчитывать плотность частиц в нейтринном море Вселенной только теоретически. Если свойства нейтрино полностью описываются СМ, то плотность каждого сорта нейтрино составляет примерно 450 частиц на кубический сантиметр. Напомним, что СМ предсказывает существование трех сортов нейтрино, причем экспериментально, при изучении распадов Z-бозонов, установлено, что четвертого нейтрино, со свойствами, аналогичными первым трем сортам, в природе нет. Отметим, однако, что экспериментальные данные по физике нейтрино в принципе не запрещают существования дополнительных сортов нейтрино, при условии, что они весьма слабо взаимодействуют с Z-бозоном. Ниже мы покажем, каким образом космология позволяет оценить подобные возможности.

Вернемся к формуле для d. В нее входит и плотность барионной компоненты n_В. В принципе эта величина тоже может быть найдена экспериментально – путем пересчета всех барионов в звездах и межзвездном газе. Точность этих измерений пока еще невысока, важно, однако, что на эту величину имеется ограничение снизу, то есть n_B должна быть больше некоторого значения. Поэтому единственная величина, которую можно варьировать в формуле для дельта – число сортов нейтрино. Оказывается, если мы добавим еще только два сорта нейтрино, то химический состав Вселенной изменится столь заметно, что возникнет противоречие с известными экспериментальными данными. Более того, даже один дополнительный сорт нейтрино создает некоторые проблемы для согласования теории с экспериментом. Таким образом, данные по химическому составу жестко ограничивают число сортов нейтрино. Физическая причина этого состоит в том, что количественный итог нуклеосинтеза зависит от скорости расширения Вселенной, а дополнительные сорта нейтрино увеличили бы эту скорость и тем самым уменьшили бы количество синтезируемых ядер тяжелее водорода. Точно так же мы не можем и существенно изменять концентрацию барионной компоненты. Ее увеличение или уменьшение также привело бы к недопустимым изменениям относительного химсостава Вселенной.

Нам осталось напомнить о том, что концентрация барионной компоненты, соответствующая наблюдаемому химсоставу, в современную эпоху согласуется с такой плотностью энергии материи во Вселенной, которая имеет место только в открытой модели. Правда, делая такое заключение, мы неявно предполагаем, что современная Вселенная состоит только из нуклонов, электронов и фотон-нейтринного моря. Более детальный анализ астрономических данных (о нем мы расскажем ниже) привел к выводу, что такое предположение в действительности неверно. В современной Вселенной обязательно существуют дополнительные носители плотности энергии, не сводящиеся к упомянутым носителям. Некоторое время существовала надежда, что проблему дополнительных носителей (их общее название – темная материя), невидимых в оптическом и радиодиапазонах, можно решить, приписав нейтрино малую массу покоя. Вопросы о космологической роли массивного нейтрино в научной литературе обсуждаются до сих пор, но с учетом всех известных данных сегодня можно сказать, что проблема природы темной материи на этом пути не решается. Нужны дополнительные носители энергии. Возможную их природу мы обсудим ниже в Разделе 6. Сейчас лишь отметим, что наша свобода в выборе гипотез относительно природы этих носителей на самом деле ограничена данными о нуклеосинтезе. Действительно, исходя из данных о современной Вселенной, можно предположить существование, например, тех или иных частиц с некоторыми массами, которые обеспечат нужную плотность энергии, совместимую с данными наблюдений. Однако возникает вопрос: какова роль этих частиц на ранних стадиях эволюции, конкретно, в эпоху нуклеосинтеза? Заранее очевидно, что эти носители должны обладать парадоксальным свойством – сегодня они являются доминирующими носителями плотности энергии, а в эпоху нуклеосинтеза их роль должна была быть очень малой, чтобы не исказить химический состав Вселенной. Так что отнюдь не любая гипотеза о природе темной материи совместима с имеющимися наблюдательными данными.

5.2. «Спокойная» фаза и рекомбинация.

Однако давайте временно забудем о существовании темной материи. Рассмотрим наступающую после эпохи нуклеосинтеза довольно спокойную стадию, на которой, в общем-то, длительное время ничего особенно интересного во Вселенной не происходит. Космологическая плазма в этот период в основном состоит из фотонов и нейтрино, на долю которых приходится большая часть плотности энергии, в этом «море» плавает небольшое число электронов и барионов. Нейтринная подсистема практически отщеплена и не взаимодействует ни с фотонами, ни с барионами. Взаимодействие, конечно, все же имеется, но настолько слабое, что за всю эпоху, начиная от эпохи нуклеосинтеза до наших дней, типичное нейтрино ни разу не провзаимодействовало ни с какой другой частицей. Поэтому, если бы мы могли регистрировать реликтовые нейтрино, то из свойств нейтринного газа получили бы экспериментальную информацию об эпохе эволюции, предшествующей нуклеосинтезу, когда нейтрино становятся практически свободными почти сразу после образования ХК. Фотоны же и барионы способны взаимодействовать друг с другом довольно долго после нуклеосинтеза, эти подсистемы находятся в термодинамическом равновесии, и температуры их равны.

Говоря, что нет ничего интересного на этой стадии, мы имеем в виду ситуацию, когда между фотонами и барионами есть термодинамическое равновесие, а доминируют в плотности энергии фотоны. Но в расширяющейся Вселенной эта ситуация не может сохраняться вечно – в процессе расширения плотность энергии фотонов падает быстрее, чем плотность энергии барионной компоненты. В результате обязательно наступает момент, когда эти плотности сравниваются друг с другом, а затем начинается эпоха, в которой доминирует уже барионная компонента. Дело не сводится только к изменению соотношения между плотностями энергий – примерно в ту же эпоху, когда сравниваются плотности энергий, происходят качественные изменения в состоянии барион-электронного газа. До этого момента этот газ был полностью ионизован, электроны были оторваны от ядер, существовали в качестве свободных заряженных частиц и, взаимодействуя с фотонами, обеспечивали равновесие между подсистемами. Но при охлаждении плазмы ионизованное состояние энергетически невыгодно, происходит рекомбинация – захват электронов ядрами с образованием нейтральных атомов. Главное следствие этого процесса в том, что интенсивность взаимодействия фотонов с нейтральными атомами гораздо ниже, чем с заряженными электронами. Это взаимодействие ослабевает настолько, что типичный фотон, начиная с периода рекомбинации и до наших дней, ни разу не провзаимодействовал с барионами. Это означает, что, наблюдая реликтовое излучение, мы видим Вселенную такой, какой она была на момент рекомбинации. В этой связи отметим, что температура плазмы в момент рекомбинации составляла несколько тысяч градусов, ее плотность по сравнению с современным значением была колоссально велика, и в этой плазме отсутствовали какие-либо гравитационно-обособленные объекты типа галактик, звезд или планет.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: