Стивен Вайнберг - Первые три минуты
Вселенная будет продолжать расширяться и охлаждаться, но в течение 700 000 лет не произойдет ничего особенно интересного. К этому времени температура упадет до точки, когда электроны и ядра могут образовывать стабильные атомы; исчезновение свободных электронов сделает содержимое Вселенной прозрачным для излучения; разъединение вещества и излучения позволит веществу начать формироваться в галактики и звезды. Пройдет еще примерно 10 миллиардов лет, и живые существа начнут реконструировать эту историю.
Этот расчет ранней Вселенной имеет одно следствие, которое немедленно можно сопоставить с наблюдениями: оставшийся после первых трех минут материал, из которого должны были первоначально образоваться звезды, состоял на 22–28 процентов из гелия, а остальное почти все было водородом. Как мы видели, этот результат зависит от предположения, что имеется огромное отношение числа фотонов к числу ядерных частиц, что, в свою очередь, основано на измеренной температуре теперешнего фона космического микроволнового излучения, равной З К. Первый расчет космологического образования гелия, использовавший измеренную температуру излучения, был сделан П.Дж. Е. Пиблзом в Принстоне в 1965 году, вскоре после открытия Пензиасом и Вилсоном микроволнового фона. Похожий результат был независимо получен почти в то же самое время в более искусном вычислении Роберта Вагонера, Уильяма Фаулера и Фреда Хойла. Этот результат был ошеломляющим успехом стандартной модели, так как в это время уже имелись независимые оценки, что Солнце и другие звезды начали свою жизнь, состоя большей частью из водорода и лишь на 20–30 процентов из гелия!
Конечно, на Земле очень мало гелия, но это только потому, что атомы гелия так легки и так химически инертны, что большинство их покинуло Землю многие века тому назад. Оценки изначальной распространенности гелия во Вселенной основаны на сравнении детальных расчетов звездной эволюции со статистическим анализом наблюдаемых свойств звезд, а также с прямыми наблюдениями линий гелия в спектрах горячих звезд и межзвездного материала. В самом деле, как указывает само название, гелий был идентифицирован впервые как элемент при исследовании спектра солнечной атмосферы Дж. Норманом Локайром в 1868 году.
В начале 60-х годов несколькими астрономами было отмечено, что распространенность гелия в Галактике не только велика, но и не меняется от места к месту так же сильно, как меняется распространенность более тяжелых элементов. Это, конечно, как раз то, что и нужно было ожидать, если тяжелые элементы образовывались в звездах, а гелий образовался в ранней Вселенной прежде, чем начала приготовляться любая звезда. Имеется все еще довольно много неопределенностей и колебаний в оценках распространенности ядер, но свидетельство в пользу изначальной 20-30-процентной распространенности гелия достаточно сильно для того, чтобы весьма воодушевить приверженцев стандартной модели.
Вдобавок к большому количеству гелия, образованного в конце первых трех минут, имелись также следы более легких ядер, особенно дейтерия (ядро водорода плюс один лишний нейтрон) и легкого изотопа гелия 3Не, избежавших объединения в ядра обычного гелия. (Их распространенность была впервые вычислена в 1967 году Вагонером, Фаулером и Хойлом.) В противоположность распространенности гелия, распространенность дейтерия очень чувствительна к плотности ядерных частиц в момент нуклеосинтеза: при высоких плотностях ядерные реакции происходят быстрее, так что почти весь дейтерий должен уйти в состав гелия. Для определенности приведем значения распространенности дейтерия (по массе)[45], образованного в ранней Вселенной, полученные Вагонером для трех возможных значений отношения числа фотонов к числу ядерных частиц:
Ясно, что если бы мы могли определить изначальную распространенность дейтерия, существовавшую перед тем, как начали приготовляться звезды, то мы могли бы точно определить отношение числа фотонов к числу ядерных частиц; зная нынешнюю температуру излучения, равную З К, мы смогли бы затем найти точное значение плотности массы ядер во Вселенной в настоящий момент и судить о том, открыта она или закрыта.
К сожалению, очень трудно определить истинную первичную распространенность дейтерия. Классическое значение для распространенности по массе дейтерия в воде на Земле — 150 частей на миллион. (Именно дейтерий будет использоваться в качестве топлива термоядерных реакторов, если когда-нибудь удастся должным образом управлять термоядерными реакциями.) Однако это искаженная временем цифра; тот факт, что атомы дейтерия вдвое тяжелее атомов водорода, дает им возможность несколько более охотно связываться в молекулы тяжелой воды (HDO), так что из поля притяжения Земли должна была вырваться меньшая доля дейтерия, чем водорода. В то же время спектроскопия указывает на очень малую распространенность дейтерия на поверхности Солнца — меньше, чем четыре части на миллион. Это тоже искаженная цифра — дейтерий во внешних областях Солнца должен был быть большей частью уничтожен путем реакции с водородом с превращением в легкий изотоп гелия 3Не.
Наши знания о распространенности космического дейтерия были поставлены на значительно более прочную основу в 1973 году, благодаря наблюдениям в ультрафиолетовом диапазоне с искусственного спутника Земли «Коперник». Атомы дейтерия, как и водорода, могут поглощать ультрафиолетовый свет строго определенных длин волн, соответствующих переходам, в которых атом возбуждается из состояния наименьшей энергии в более высокое по энергии состояние. Эти длины волн слегка зависят от массы атомного ядра, так что ультрафиолетовый спектр звезды, чей свет доходит до нас сквозь межзвездную смесь водорода и дейтерия, будет пересечен рядом темных линий поглощения, разделенных на две компоненты каждая, одна из которых — от водорода, а другая — от дейтерия. Относительное потемнение любой пары компонент линий поглощения немедленно даст тогда относительную распространенность водорода и дейтерия в межзвездном облаке. К сожалению, атмосфера Земли такова, что очень трудно с поверхности осуществить какие бы то ни было астрономические наблюдения в ультрафиолетовой области. Спутник «Коперник» нес на себе ультрафиолетовый спектрометр, который был использован для изучения линий поглощения в спектре горячей звезды β Центавра; из их относительной интенсивности было найдено, что межзвездная среда между нами и β Центавра содержит около 20 частей на миллион (по массе) дейтерия. Более поздние наблюдения линий ультрафиолетового поглощения в спектрах других горячих звезд дали аналогичные результаты.
Если эти 20 частей на миллион дейтерия действительно образовались в ранней Вселенной, тогда должно было быть (и есть сейчас) как раз около 1,1 миллиарда фотонов на одну ядерную частицу (см. таблицу выше). При теперешней температуре космического излучения З К имеется 550 000 фотонов в литре, так что сейчас должно быть около 500 ядерных частиц на миллион литров. Это существенно меньше, чем минимальная плотность для замкнутой Вселенной, которая, как мы видели в главе II, равна примерно 3000 ядерных частиц на миллион литров. Следовательно, нужно сделать вывод, что Вселенная открыта; это значит, что галактики движутся со скоростью, превышающей скорость отрыва, и Вселенная будет расширяться всегда. Если часть межзвездного газа захватывается звездами, которые стремятся уничтожить дейтерий (как на Солнце), тогда распространенность космологически образованного дейтерия должна быть даже больше, чем найденное с помощью спутника «Коперник» значение 20 частей на миллион. Отсюда, плотность ядерных частиц должна быть даже меньше, чем 500 частиц на миллион литров, что усиливает вывод: мы живем в открытой, вечно расширяющейся Вселенной.
Должен сказать, что сам я нахожу эту аргументацию довольно неубедительной. Дейтерий непохож на гелий — хотя его распространенность и кажется выше, чем следовало бы ожидать для относительно плотной закрытой Вселенной, он все же чрезвычайно редок в абсолютных единицах. Мы можем представить себе, что такое количество дейтерия было образовано в «недавних» астрофизических явлениях — вспышках сверхновых, космическом излучении, возможно, даже в квазизвездных объектах. Для гелия это не так; 20-30-процентная распространенность не могла быть создана недавно без высвобождения чудовищного количества излучения, которого мы не наблюдаем. Считается, что дейтерий в количестве 20 частей на миллион, найденный «Коперником», не мог бы образоваться ни в каком из обычных астрофизических механизмов без образования также неприемлемо большого количества других редких элементов: лития, бериллия и бора. Однако я не вижу, как мы можем быть уверены в том, что эти следы дейтерия не были образованы каким-то не космологическим механизмом, о котором до сих еще никто не думал.
