барионная материя что это

Барионная материя

То «обычное» вещество Вселенной, из которого состоят Земля (и все, что на ней), другие планеты и звезды, — это барионы (протоны, нейтроны) и электроны в числе, равном числу протонов. Это нерелятивистская среда с пренебрежимо малым (по сравнению с плотностью ее энергии) давлением; уравнение состояния в этом случае рв — 0.

С этим обычным веществом, казалось бы, все ясно. Эта форма материи наблюдаема либо в оптическом, либо в радио, либо в других диапазонах длин волн. Тем не менее, имеется существенная проблема, связанная именно с этой, казалось бы, хорошо изученной формой материи, которая заключается в том, что соответствующих античастиц, т. е. антибарионов (антипротонов, антинейтронов), позитронов в природе нет. Точнее, они присутствуют в ничтожных количествах и обязаны вторичным процессам рождения частиц и античастиц при столкновениях частиц высоких энергий, например, в космических лучах или на мощных ускорителях в лаборатории.

Численную меру такого рода зарядовой асимметрии можно определить, зная современные значения плотности барионов и реликтового излучения (о нем см. ниже). Дело в том, что в горячей ранней Вселенной, при высоких температурах, превышающих массу покоя барионов, барионы и антибарионы (а точнее, составляющие их кварки и антикварки) должны были присутствовать

в почти равных количествах, причем концентрация (число частиц в единице объема) тех и других должна была почти точно совпадать с концентрацией реликтовых фотонов. Позднее, после того как произошла аннигиляция барионов и антибарионов, избыток частиц над античастицами уцелел и дал современное наблюдаемое значение плотности барионов. Так как с тех пор число реликтовых фотонов не менялось (практически) в сопутствующем объеме, то современное отношение концентрации барионов к концентрации реликтовых фотонов дает отношение исходного избыточного числа барионов к их исходному полному числу. При современной плотности барионов

их концентрация составляет в среднем

Концентрация же реликтовых фотонов в современную эпоху

Так получается величина отношения

которая не зависит от времени и называется космическим бари-онным числом. Это число и служит мерой зарядовой асимметрии мира по отношению к барионам и антибарионам. Именно это малое безразмерное космическое число (вернее, физика, которая за ним стоит) обеспечило выживание обычного вещества в ранней эволюционирующей Вселенной и его существование в сегодняшнем мире.

Источник

Астрономы напрямую увидели недостающую барионную материю Вселенной

F. Nicastro et al. / Nature

Группа астрономов под руководством Фабрицио Никастро показала, что в спектре излучения лацертиды 1ES 1553+113 возникают линии сильно ионизированного кислорода, характерные для сети межгалактического газа, в которой находится около половины барионного вещества Вселенной. До этого момента ученые не могли надежно доказать, что такие структуры действительно существуют. Статья опубликована в Nature, краткий обзор статьи можно найти в разделе News and Views.

Согласно современным представлениям, Вселенная более чем на 95 процентов состоит из темной материи и темной энергии, а на долю обычной, барионной материи (протоны, нейтроны) приходится всего около пяти процентов массы. Эти соотношения подтверждаются численными расчетами в рамках общепринятой модели ΛCDM (холодная темная материя) и полагаются на данные о спектре реликтового излучения, которые спутники Planck и WMAP собирали в 2001–2013 годах. Тем не менее, прямые наблюдения за галактиками приводят к несколько другому результату. Оказывается, что если сложить барионную материю всех известных галактик с красным смещением менее z 5 —10 7 — из-за этого нити часто называют тепло-горячей межгалактической средой (WHIM). К сожалению, плотность газа в тепло-горячей межгалактической среде невероятно мала, а молекулы водорода — основной ее компонент — сильно ионизированы и практически не излучают свет. Поэтому увидеть «недостающее» вещество очень сложно. Пока еще астрономам так и не удалось подтвердить существование межгалактических нитей с достаточной степенью достоверности, хотя несколько свидетельств в их пользу было.

Группа ученых под руководством Фабрицио Никастро (Fabrizio Nicastro), кажется, впервые убедительно доказала, что межгалактические нити действительно существуют. Для этого астрономы проверили, как межзвездная среда искажает излучение лацертиды 1ES 1553+113, которая находится на расстоянии около 4,5 миллиардов световых лет от Земли (z > 0,4, точное расстояние неизвестно). Лацертиды — это мощные источники электромагнитного излучения, имеющие непрерывный спектр практически во всех диапазонах частот. Когда такое излучение проходит через газ, на нем остается «отпечаток» (спектр поглощения вещества), по которому можно точно установить химический состав газа и его расстояние до Земли. В то же время, в тепло-горячей межзвездной среде помимо водорода находится небольшое количество сильно ионизированного атомарного кислорода — если точнее, кислорода O VII, который напоминает строением своих электронных оболочек гелий и которого практически нет в галактиках. Поэтому по характерным «отпечаткам» такого кислорода можно проверить, проходило излучение через межгалактические нити или нет.

Наложение «отпечатков» ионизированного кислорода на излучение лацертиды (свет движется справа налево)

Таким образом, наблюдения за спектром лацертиды показали, что на красных смещениях около z₁ ≈ 0,43 и z₂ ≈ 0,36 должна находиться тепло-горячая межзвездная среда, в которой собрана недостающая барионная материя Вселенной — согласно расчетам ученых, измеренная интенсивность поглощения указывает на то, что в ней находится от 9 до 40 процентов всей материи. Кроме того, прямые измерения подтверждаются рядом косвенных признаков. Например, на тех же красных смещениях наблюдается повышенная концентрация галактик, предположительно находящихся на концах нитей. Также в их окрестности наблюдаются области с высокой концентрацией водорода, которые могут принадлежать межгалактическим нитям.

Галактики в окрестностях более далекой структуры

F. Nicastro et al. / Nature

Галактики в окрестностях более близкой структуры

F. Nicastro et al. / Nature

Стоит отметить, что области с сильно ионизированным кислородом O VII могут возникать не только в тепло-горячей межзвездной среде, но и в галактиках. Тем не менее, в этом случае в спектре также должны присутствовать линии поглощения холодных ионов, встречающихся в галактиках гораздо чаще. Авторы статьи подчеркивают, что они такие линии не регистрировали.

В октябре прошлого года сразу две группы астрономов независимо сообщили о регистрации недостающей барионной материи в филаментах с помощью эффекта Сюняева-Зельдовича. Заключается этот эффект в следующем: когда фотоны реликтового излучения рассеиваются на горячих электронах межзвездного газа, они теряют энергию, и в результате спектр излучения немного изменяется. Следовательно, измеряя спектр реликтового излучения, приходящего из разных точек неба, можно судить о концентрации газа, через который им пришлось пройти. Если же сравнить полученную картину с известным распределением галактик, можно рассчитать, как много газа находится в филаментах, ускользающих от прямых наблюдений. Подобный анализ ученые выполнили примерно для миллиона галактик, что позволило им подтвердить с достоверностью около 5σ, что недостающая материя действительно находится в филаментах. Тем не менее, на данный момент статьи все еще проходят проверку в рецензируемых журналах, а потому существуют только в виде препринтов — в прошлом уже поступали ложные сообщения об обнаружении недостающей барионной материи, и редакторы журналов не хотят ошибаться.

В феврале 2016 года группа астрономов под руководством Эвана Кина смогла увидеть недостающую барионную материю, связав данные быстрого радиовсплеска с его источником — далекой эллиптической галактикой. Этот способ очень сильно похож на подход группы Фабрицио Никастро. Одновременно с этой статьей вышла другая работа, в которой астрофизики из Австрии, Германии и США показали, что недостающую барионную материя может находиться не в филаментах, а в джетах сверхмассивных черных дыр, находящихся в центрах галактик.

Источник

Барионная асимметрия Вселенной

Кольцо темной материи, гипотетически связанной с барионной асимметрией.

Барионная асимметрия Вселенной – наблюдаемое явление преобладания вещества над антивеществом во Вселенной.

Барионы и их античастицы

Барион – это семейство элементарных частиц, основными свойствами которых являются участие в сильном взаимодействии и наличие полуцелого спина (фермион), также барионы состоят из трех кварков, изредка – из пяти. К частицам такого рода относятся протон, нейтрон, сигма-/кси-/омега-гиперон и лямбда-барион. Вместе с электронами барионы составляют материю, в привычной для нас форме – барионная материя.

Однако, как уже общеизвестно, существует и иной вид материи – антиматерия или антивещество. Первым шагом к этому открытию стало обнаружение позитрона в 1932-м году Карлом Андерсоном. Позднее были открыты и другие античастицы и даже синтезирован антиводород.

Факт наличия антиматерии во Вселенной должен непременно укладываться в космологические модели ее формирования – здесь-то и берет свое начало вопрос о барионной асимметрии во Вселенной.

Материя и энергия во Вселенной

Формирование вещества и антивещества

Основываясь на результатах наблюдения за видимой Вселенной, ученые могут утверждать с уверенностью, что антиматерия реально стабильно не образуется в природе. Ее нет как в нашей галактике, так и за ее пределами. А существование всех античастиц, известных физике, было подтверждено экспериментально, при помощи специальных установок, вроде ускорителей. Даже если позднее античастицы будут обнаружены в природе, где-то вне Млечного Пути, формирование подобных «сгустков» антиматерии не имеет определенных оснований. Очевидное преобладание частиц над античастицами во Вселенной не удается объяснить даже при помощи двух основных космологических теорий: общей теории относительности и стандартной модели.

Антиматерия в специальном реакторе. Это самое дорогое вещество в мире — один миллиграмм антивещества стоит 25 миллионов долларов.

Рассматривая теорию Большого Взрыва и учитывая известные законы термодинамики, ученые отметили тот факт, что число барионов в тот момент было приблизительно равно числу фотонов. Вероятнее всего изначально материя и антиматерия были представлены в равном количестве и их частицы (барионы и антибарионы) при столкновении аннигилировали. По этой причине большая часть барионов была уничтожена, в то время как фотоны, несмотря на постоянное поглощение и переизлучение, сохранились практически в изначальном количестве. Анализируя полученные результаты наблюдений и теоретические расчеты, физики пришли к выводу, что число фотонов превышает количество барионов в миллиард раз.

Упомянутое открытие означает, что в какой-то момент барионов стало на одну миллиардную больше, чем их античастиц, и именно эта миллиардная часть не нашла себе пары, чтобы аннигилировать. Благодаря некоему неизученному эффекту материя сохранилась в виде барионов, создав тем самым условия для появления жизни во Вселенной. Все могло бы произойти иначе, и в мире остался бы лишь разреженный протон-антипротонный газ и фотоны.

Так как барионная материя допускает наличие разумной жизни, последняя все же была сформирована и вскоре задалась вопросом о том самом эффекте, допустившем преобладание вещества над антивеществом на одну миллиардную часть.

Нарушение CP-инвариантности

В физике элементарных частиц существует такое понятие как «комбинированная чётность», которая предполагает инвариантность различных взаимодействий по отношению к следующим симметриям:

Схема распада ядра кобальта

Так как физические уравнения сохраняют свой вид при зеркальной инверсии системы, теоретически предполагалось, что зеркальное отражение какой-либо реакции проходило бы точно так же, как и сама реакция. До 1956-го года считалось, что сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия действуют одинаково при P-симметрии. Однако, в результате обработки данных китайскими учеными Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг было отмечено, что сохранение P-симметрии в слабых взаимодействиях не было подтверждено экспериментально. В том же году командой американских и китайских физиков был проведен эксперимент на основе бета-распаде ядер кобальта-60 (слабое взаимодействие), который показал значительное нарушение P-симметрии.

Решением возникшей проблемы симметрии занялся советский ученый Лев Ландау, который в 1957-м году предложил теорию о еще одной симметрии, таковой, что ее комбинация с P-симметрией сохранялась бы при слабом взаимодействии. В роли этой симметрии выступило зарядовое сопряжение (С-симметрия).

Однако, спустя всего семь лет, в 1964-м году американские физики Джеймс Кронин и Вэл Фитч, проведя эксперимент по распаду нейтральных каонов, открыли нарушение и CP-инвариантности. Это открытие позволяет понять причину, по которой мог произойти наблюдаемый дисбаланс вещества и антивещества во Вселенной.

Работы Сахарова

Проблемой барионной асимметрии Вселенной занимался выдающийся советский теоретик Андрей Сахаров, сделавший вклад в создание водородной бомбы и отличившийся трудами в области управляемого термоядерного синтеза, физики плазмы, магнитной гидродинамики и других. Именно он связал дисбаланс частиц и античастиц с нарушением CP-инвариантности. Помимо нарушения CP-симметрии, в своей работе Сахаров указал два других условия, требуемых для наличия барионной асимметрии, а именно:

Этапы развития Вселенной с точки зрения взаимодействия между частицами. Смотреть в полном размере.

Таким образом, вышеприведенные условия, которые поставил Андрей Сахаров, приводят к барионной асимметрии Вселенной. Хотя эти условия теоретически и могут быть удовлетворены на ранних этапах формирования Вселенной, экспериментальные подтверждения их достоверности до сих пор не получены.

Существует ряд иных теорий о сложившемся дисбалансе вещества и антивещества во Вселенной, в том числе и предположение об изначальных условиях несимметричности. В 2010-м году появилась гипотеза, связывающая барионную асимметрию с темной материей. Проверка этих гипотез проводится на Большом адроном коллайдере, на основе результатов его экспериментов строятся и другие гипотезы.

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Источник

Внятно о найденной барионной материи

В редакцию пришло письмо. Вернее, пришло оно лично автору на фейсбук (не поверите, но такое бывает: журналисты не всегда придумывают читательские письма из головы, иногда их придумывают сами читатели). В письме поставлен прямой вопрос: «Как все это понять?!» И дана ссылка на статью со странным названием: «Астрофизики: недостающая половина материи во Вселенной состоит из барионов». А в самой статье все еще страннее: ученые, написано там, «заявили о присутствии во Вселенной особых частиц — барионов», и еще там «в космическом пространстве появляются пятна тумана». Сама заметка совсем небольшая, но с первых слов завораживает каким-то эпическим, баснословным, доселе невиданным невежеством.

И это прекрасный повод, чтобы рассказать нашим читателям о работе астрофизиков из Эдинбурга, которая, видимо, и вдохновила наших уважаемых коллег на слоновий танец в лавке непонятных слов. Эта работа имеет отношение к тайне пропавшей материи.

Если верить физикам, в природе все логично и соразмерно. Например, во Вселенной есть ровно столько материи, чтобы ее тяготение делало пространство не замкнутым и не выгнутым, а абсолютно плоским. При этом та материя, которую мы можем видеть, составляет лишь небольшую долю всего этого добра. Эту материю называют «барионной» (барионы — то, что находится в ядрах атомов и придает им почти всю массу, то есть протоны и нейтроны). Когда в ХХ веке физики начали составлять баланс материи во Вселенной, то поняли, что барионной материи слишком мало, чтобы сделать наш мир плоским. Сперва стало понятно, что есть еще и другая материя, «темная», невидимая нам, поскольку она состоит из частиц, которые ни с чем не взаимодействуют, но притягивают все остальное силой гравитации. При всей своей темности, это обычная материя, просто состоящая из неких доныне неведомых частиц. Потом оказалось, что есть еще и совсем необычная материя, которая и не материя вовсе, а просто свойство пустого пространства. Ее назвали «темной энергией», и она, в отличие от всего остального в этом мире, не скручивает пространство вокруг себя, а наоборот, распихивает его, ускоряя его расширение. Когда физики сложили все эти материи и лжематерии, получилось, что в мире действительно ровно столько всякой всячины, чтобы он оставался плоским.

Как ни странно, главный дефицит баланса обнаружился там, где его никто не ждал. Сюрприз преподнесла старая добрая барионная материя. Дело в том, что физики точно знают, сколько ее должно быть, чтобы Вселенная оставалась плоской — примерно 5% от всего, что есть в этом мире. Именно столько, согласно расчетам, ядер водорода и гелия образовалось в первые двадцать минут после Большого взрыва, так что здесь все сходится. Но где сейчас все это добро? В звездах и галактиках из этих 5% заключено не более одной десятой. Предполагается, что много материи болтается между галактиками в виде разреженного ионизированного газа. Он очень разрежен, но при этом весьма горяч, так что его видно в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне (например, с помощью телескопа Hubble). Но даже всего этого видимого газа никак не хватает, чтобы свести концы с концами: еще треть, а то и половина материи остается неохваченной.

Можно представить себе злость и раздражение физиков. Сперва оказывается, что большая часть материи — непонятное темное черт знает что, потом выясняется, что большая часть всего, что есть во Вселенной, — даже и не эта материя вовсе, а еще более непонятная темная энергия. И наконец, последний сюрприз: самой простой и понятной барионной материи не хватает даже на те жалкие 5%, сколько ее нужно, чтобы картина природы не расползлась по швам.

Эту задачку и попытались решить шотландские астрофизики. Они предположили, что основная часть внегалактической материи может заключаться в гигантских космических нитях — паутине газа, тянущейся от галактики к галактике. О том, как выглядит эта паутинная структура, мы как-то писали на нашем сайте; это же можно наглядно увидеть в красивом ролике.

Но как понять, сколько там, в этих межгалактических нитях, есть вещества? Способ есть, хоть и непростой. Весь космос, если вы не знали, пронизан «реликтовым излучением» — отблеском Большого взрыва. Фотоны, оставшиеся от взрыва, летели через космос с тех самых пор, а космос тем временем расширялся, длины волн излучения растягивались, оно остывало, пока не остыло до смехотворной температуры 2,7 градуса выше абсолютного ноля. Это настолько холодно, что такие фотоны способно нагреть буквально что угодно, в том числе и редкие взаимодействия с электронами в межгалактическом газе. Это на самом деле не просто фантазирование на пальцах, а явление, известное с 1969 года: эффект Сюняева — Зельдовича. Фотоны нагреваются всего-то на стотысячную долю процента, но шотландцы придумали, как поймать этот эффект. Им пришлось для этого суммировать данные для миллиона пар галактик, но в результате стало ясно, сколько именно между этими галактиками есть барионной материи, способной чуть согреть замерзающие фотоны. Ее в межгалактических волокнах хоть и не много, но все же в шесть раз больше, чем в среднем во внегалактическом пространстве. И значит, дефицит материи объяснен. ну не совсем, но его удалось снизить на 30%, и это немало. В будущем, надо надеяться, найдут и остальное, раз процесс, как говорится, пошел.

Если, конечно, статьи невежественных лжепопуляризаторов не отобьют у человечества всякую охоту к дальнейшему познанию мира; такой исход мы тоже не можем исключать.

Примечание: популярное изложение работы можно найти здесь. Между тем другая работа на эту тему, с теми же результатами, но меньшим объемом данных, была опубликована чуть раньше канадскими исследователями; вот она.

Об авторе от автора: с марта 2012 года шеф-редактор проекта «Сноб». В прошлом – молекулярный генетик. Делал всякие смешные штуки с одной симпатичной плесенью, но потом понял, что я – единственный человек на планете, кому это интересно. Журналистикой и переводами начал заниматься, живя и работая в Копенгагене (видимо, просто соскучился по русскому языку). С 2001 года снова в Москве; с этого момента редакторская работа стала основным источником средств к существованию. До «Сноба» работал в трех журналах, один даже возглавлял, но комплекс дилетанта и самозванца не изжил до сих пор.

Источник

Действующие лица и исполнители: история барионов

Игорь Сокальский,
кандидат физико-математических наук
«Химия и жизнь» №9, 2006

В статье «Сцена для вселенского спектакля» в цикле «Вселенная: материя, пространство, время» мы выяснили, как устроена сцена, на которой разворачивается грандиозный спектакль о рождении и жизни мира, в котором мы сейчас живем. Мы знаем теперь, сколько времени прошло с момента открытия занавеса до наших дней; каковы пространственные и временные рамки сцены и декораций; о том, какие события происходили на этой сцене в течение первых 14 миллиардов лет. Пора теперь рассказать об исполнителях главных ролей в этом спектакле.

Отыщи всему начало, и ты многое поймешь.
Козьма Прутков

Перечисленные частицы — главные компоненты материи и главные действующие лица в спектакле, разворачивающемся на сцене, устроенной природой из пространства и времени.

Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра, которые, обрастая оболочкой из электронов, превращаются в атомы и приобретают способность вступать в химические реакции. Фотоны и обеспечивают электромагнитное взаимодействие. Практически всё, что мы видим, слышим, обоняем и осязаем — как с помощью наших ограниченных в своих возможностях органов чувств, так и посредством микроскопов, телескопов и других сложных приборов, — это материя, которая состоит из атомов или атомных ядер. Для нее принят термин «барионная».

Барионы — это нуклоны (протон и нейтрон) и целый зоопарк гиперонов — частиц, время жизни которых исчисляется стомиллиардными долями миллиардной доли секунды (то есть они живут примерно настолько же меньше секунды, насколько сама секунда меньше времени жизни Вселенной). Гипероны рождаются в ядерных взаимодействиях и немедленно распадаются, они столь нестабильны, что из них ничего не может состоять. Поэтому под барионной материей понимают прежде всего материю, построенную из нуклонов. Протон и нейтрон очень похожи друг на друга, но между ними есть и существенные различия. Протон р электрически заряжен и стабилен (время его жизни, во всяком случае, не меньше чем 10 32 лет, что на 22 порядка больше возраста Вселенной!), нейтрон n электрически нейтрален. В свободном виде (вне ядра) нейтрон распадается в среднем за 14 минут 38 секунд, оставляя после себя протон, электрон и нейтрино (это называется бета-распад). Массы протона и нейтрона почти равны, но всё же различаются на 0,14%:
m_n = 1,674 × 10 –27 кг,
m_p = 1,672 × 10 –27 кг.

История барионной материи от момента ее образования и до наших дней — тема этой статьи.

От геоцентризма до Вселенной без центра

Мир, в котором мы существуем, кажется нам стабильным и незыблемым. Мы рождаемся, взрослеем, стареем, а Солнце и звезды по-прежнему находятся на своих местах. И в нашем детстве, и в детстве наших самых далеких предков продолжительность года равнялась примерно 365 дням и 6 часам, а расстояние до Солнца составляло 150 миллионов километров. Однако на самом деле Вселенная изменяется, и очень динамично. Просто человеческая жизнь и даже история человечества слишком коротки, чтобы эти изменения заметить.

Человеческие представления о структуре видимого мира (состоящего из барионной материи) эволюционировали не слишком быстро, но чрезвычайно драматично. Первый шаг от самых древних наивных представлений о плоской, как тарелка, Земле, которая накрыта небесной полусферой, сделал почти 2000 лет назад Клавдий Птолемей. В своем «Альмагесте» он предложил геоцентрическую систему мира, в центре которого находится сферическая Земля, а вокруг нее вращаются Солнце, Луна, планеты и сфера с размещенными на ней звездами.

Эта система просуществовала полторы тысячи лет и подверглась пересмотру после опубликования в 1543 году книги Николая Коперника «Об обращениях небесных сфер». Коперник сделал мир гелиоцентрическим, поставив в его центр Солнце, вокруг которого вращаются Земля с Луной, планеты и звезды. Взгляды Коперника встретили серьезное сопротивление. Тогдашнее человечество не было готово жить на одной из планет, вращающейся вокруг центрального светила, оно хотело находиться в центре мироздания. Тем не менее исключительно точные по тем временам наблюдения за движением планет, проведенные датским астрономом Тихо Браге, и количественные объяснения законов обращения планет вокруг Солнца, сделанные на основе этих наблюдений немцем Иоганном Кеплером (см. «Химию и жизнь» 1998, № 11, 12, 1999, № 1, 5–6), к середине XVII века позволили гелиоцентрической системе завоевать общее признание.

Модель Коперника гораздо ближе к действительности, чем система Птолемея, однако от истины она еще далека. Солнце заменило Землю в центре Вселенной и стало главным, выделенным светилом. Природу же звезд люди понимали всё еще довольно смутно — они оставались светящимися точками, расположенными где-то за орбитами планет.

Первую попытку сместить Солнце с привилегированного центрального места сделал итальянец Джордано Бруно уже через 40 лет после смерти Коперника. В своих работах «О бесконечности, вселенной и мирах» (1584) и «О неизмеримом и неисчислимом» (1591) он высказал предположение, что никакого центра у Вселенной вовсе не существует и, следовательно, в этом центре ничего не находится. Солнце — лишь одна из бесчисленных звезд, вокруг каждой из которых вращаются планеты, подобные Земле и, возможно, обитаемые. Предположение было абсолютно точным. Просто невероятно, как Бруно смог 450 лет назад правильно понять устройство мира, не обладая практически никакой информацией.

Через 150 лет, с работами английского астронома Уильяма Гершеля, окончательно закрепилось понимание того, что Солнце — лишь одна из десятков миллиардов звезд и ничем особенным от остальных звезд не отличается.

Таким образом, человечеству понадобилось 1500 лет для того, чтобы убрать Землю из центра Вселенной, и еще 200 лет для того, чтобы убрать оттуда также и Солнце, отказавшись от представления о центре Вселенной вообще. Еще через 150 лет был сделан следующий серьезный шаг в понимании структуры мироздания. В 1917 году американские астрономы Джордж Ричи и Герберт Кертис высказали предположение, что туманности (туманные расплывчатые пятна, видимые на небе в телескопы) не принадлежат нашей Галактике, а находятся от нее на громадных расстояниях. Более того, эти туманности — точно такие же галактики. Изучая снимки туманности МЗЗ (туманность номер 33 по каталогу Мессье), Ричи и Кертис заметили, что ее спиральные ветви состоят как будто из отдельных звезд. К сожалению, изображения звезд в силу несовершенства тогдашней техники были очень размытыми, поэтому неопровержимо доказать существование далеких систем американским астрономам не удалось.

Это сделал через девять лет, в 1926 году, соотечественник Ричи и Кертиса Эдвин Хаббл, который с помощью 2,5-метрового оптического телескопа-рефлектора (в ту пору крупнейшего в мире) отчетливо увидел отдельные звезды в самой яркой туманности М31 — туманности Андромеды. Предположение Ричи и Кертиса было окончательно доказано. Стало ясно, что звезды во Вселенной распределены не равномерно, а сконцентрированы в галактиках, пространство между которыми практически пусто. Расстояние между галактиками при этом в десятки и сотни раз превышает их размеры.

Вот так сложилось более или менее окончательное представление о структуре Вселенной. «Более или менее» — потому что позднее выяснилось также, что и галактики имеют тенденцию собираться в скопления, где их плотность во много раз превышает плотность галактик вне скоплений. Но в рамках нашего рассказа это можно считать не слишком существенными деталями.

Вселенная эволюционирует!

Крупномасштабная структура барионной материи во Вселенной стала ясна 80 лет назад. Но картина мира была статичной. И вот всё тот же неутомимый Эдвард Хаббл в 1929 году придал этой картине динамику. Проделав наблюдения за несколькими сотнями галактик, он обнаружил поразительную вещь — линии в спектрах почти всех галактик оказались смещены в красную длинноволновую область. Единственной интерпретацией этого факта мог быть эффект Доплера — увеличение длины волны, излучаемой удаляющимися объектами. Причем, в соответствии с измерениями Хаббла, чем дальше от нас галактика, тем больше так называемое «красное смещение» и, следовательно, скорость, с которой галактика от нас удаляется. Расстояние до галактик Хаббл определял с помощью так называемых Цефеид — маяков Вселенной. Это звезды, светимость которых меняется со временем, причем чем больше период, тем сильнее светимость. Измеряя видимый блеск звезды-Цефеиды в другой звездной системе и зная (по периоду изменения светимости) полное количество света, излучаемого ею, можно определить расстояние до звезды. Хаббл понял, что галактики разбегаются друг от друга! Это открытие стало первым (но не единственным) свидетельством Большого взрыва. Разделив расстояние до галактики на скорость ее удаления от нас, можно получить время, которое прошло с тех пор, как вся Вселенная была собрана в одной точке — время, которое прошло после начала Большого взрыва. По последним данным получается 14 млрд лет.

Рис. 1. Этот график зависимости скорости удаления галактики от расстояния до нее Э. Хаббл опубликовал в 1929 году. Точки — данные измерений по 24 галактикам. Прямая линия — аппроксимация (изображение: «Химия и жизнь»)

В 1965 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Вилсон открыли реликтовое излучение — электромагнитные волны, излученные на ранних стадиях расширения Вселенной. Это открытие стало исторически вторым прямым свидетельством Большого взрыва. Спектр реликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 2,725 К. Интенсивность этого излучения одинакова в любом направлении с точностью до 0,001%. Реликтовое излучение предсказали Георгий Гамов, Ральф Альфер и Роберт Герман в 1948 году на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва. Гамов предсказал температуру излучения — 3 Кельвина («Physics Today», 1950, № 8).

К наиболее серьезным косвенным свидетельствам Большого взрыва можно отнести наблюдаемую крупномасштабную структуру скоплений галактик и распространенность во Вселенной химических элементов. Предсказания наблюдаемой структуры Вселенной и распространенности элементов, сделанные на основе модели Большого взрыва, хорошо согласуются с экспериментальными данными (об этом чуть подробнее будет сказано ниже).

Так в течение нескольких столетий человечество постепенно пришло к динамической картине эволюционирующего мира. Посмотрим теперь, как именно происходила эта эволюция.

Что было в начале?

Рассказ о первых секундах Большого взрыва, определивших развитие Вселенной вплоть до нашей эпохи, об инфляционных моделях, о причинах начала расширения и о том, что было до этого, занял бы слишком много места. Описание эволюции нашего мира мы начнем с сотой секунды.

Формирование структуры Вселенной

Прежде всего, зародыши неоднородности в расширяющейся Вселенной существовали изначально. Их происхождение и природа до сих пор не ясны. Очевидно только, что Вселенная никогда не была абсолютно однородной, а только почти однородной, и именно это неизвестно откуда возникшее «почти» стало причиной формирования звезд, галактик и планет. Не будь его, плотность вещества в современную эпоху оставалась бы одинаковой в любой точке Вселенной. Устройство мира было бы простым, но безумно скучным, лишенным форм и структур.

С развитием компьютерной техники и появлением мощных процессоров стали возможны сложные, громоздкие расчеты, моделирующие развитие систем, которые состоят из огромного числа гравитационно взаимодействующих частиц. Компьютерное моделирование Большого взрыва показывает, что благодаря изначальным микроскопическим неоднородностям плотности вещества, заполняющего Вселенную, примерно через сто тысяч лет после начала Большого взрыва материя разбилась на гигантские газовые сгустки (ставшие впоследствии скоплениями галактик). Эти протоскопления разделились на меньшие образования, из которых затем сформировались галактики. Последние, в свою очередь, разделились на звезды. Так возникла наблюдаемая в нашу эпоху структура Вселенной. Существенная неоднородность сегодняшней Вселенной и ее структура обусловлены первоначальными микроскопическими неоднородностями.

Откуда взялись тяжелые ядра

Но как возникли тяжелые элементы, которых первоначально в расширяющемся газовом шаре не было? Главную роль в нуклеосинтезе (синтезе атомных ядер) играли термоядерные реакции, протекающие в недрах звезд, где температура и плотность вещества достаточно высоки для протекания таких реакций. Все или почти все тяжелые элементы образовались в звездах.

А было это так. Сформировавшиеся из первоначального, почти однородного барионного вещества газовые сгустки — протозвезды — состояли из ядер водорода (протонов) с примесью ядер гелия. Под действием сил притяжения между отдельными ядрами сгустки сжимались. Температура и плотность в центральных областях при этом повышались. В какой-то момент (его можно считать моментом рождения звезды) температура достигает значений в десятки миллионов градусов, при которых возможна реакция (1): протон р сливается с нейтроном n, образуя ядро дейтерия 2Н, состоящее из двух нуклонов:

При этом испускается гамма-квант γ, ему предстоит долгий путь из ядра звезды до ее поверхности, который может занимать миллион лет и больше. Многократно поглощаясь ядрами и переизлучаясь, гамма-квант дойдет до атмосферы звезды, затем покинет ее и уйдет в космическое пространство. Именно благодаря гамма-квантам, образованным в термоядерных реакциях, звезды (в том числе и Солнце) могут светить — излучать энергию, которая по крайней мере в одном известном нам случае служит для поддержания жизни. Непрерывный «термоядерный взрыв» внутри звезды компенсирует гравитационные силы, стремящиеся ее сжать: звезда оказывается в состоянии неустойчивого равновесия.

Но вернемся к реакции (1). Здесь необходимы некоторые пояснения. Откуда в ядре звезды появляются нейтроны, без которых она невозможна? Как уже было сказано, свободные нейтроны нестабильны и вскоре распадаются. Казалось бы, за миллионы лет, отделяющие момент начала Большого взрыва от формирования первых звезд, их не должно было остаться. Так оно и есть, однако при столкновениях протонов с электронами по реакции (2) постоянно

рождаются новые нейтроны с испусканием нейтрино ν. Динамическое равновесие с реакциями β-распада (3) поддерживает фракцию нейтронов в звездном ядре на уровне примерно 15%.

Стоит еще сказать, что будь крошечная (0,14%) разница в массах нейтрона и протона хоть немного другой, то основа энергии звезд, реакция образования ядер дейтерия, была бы или невозможна, или шла бы слишком интенсивно. Например, будь протон тяжелее нейтрона, то распад нейтрона на протон, нейтрино и электрон был бы запрещен законом сохранения энергии. И в том, и в другом случае в сегодняшнем мире не было бы ни нашей планеты, ни нас с вами.

Двусторонняя стрелка в записи реакции (1) означает, что она протекает в обе стороны: образовавшийся при реакции протона с нейтроном дейтерий в конце концов снова распадается под воздействием гамма-квантов, поскольку его энергия связи очень мала, но до этого он успевает поучаствовать в реакциях (4–5) синтеза и :

2 H + 2 H → 3 He + n → 3 He + p (4)

3 He + 2 H → 4 He + n (5)

Образовавшийся гелий стабилен и дает начало цепочке термоядерных реакций (6–13),

3 He + 4 He → 7 Be + γ (6)

7 Be + e – → 4 Li + ν (7)

12 C + 4 He → 16 O + γ (9)

12 C + 12 C → 10 Ne + 4 He (10)

12 C + 12 C → 24 Mg + γ (11)

12 C + 12 C → 23 Na + p (12)

12 C + 16 O → 24 Mg + 4 He (13)

которые и порождают первые, вплоть до железа, элементы таблицы Менделеева (здесь приведен, конечно, далеко не полный перечень реакций). Более тяжелые ядра возникают главным образом за счет захвата нейтронов. Например, стабильное ядро кадмия-114 при столкновении со свободным нейтроном образует нестабильное ядро кадмия-115, которое в среднем через 54 часа посредством бета-распада переходит в ядро стабильного изотопа индия-115.

Но что же случится, когда весь водород в центре звезды «выгорит»? Какое-то время термоядерное горение, которое противодействует силам тяготения, стремящимся сжать звезду, будет продолжаться за счет «гелиевых» реакций. Когда же и они исчерпают себя (подробности см. на рис. 2), звезда либо сжимается и превращается в белый карлик, сбросив при этом наружную оболочку, либо взрывается (так называемая сверхновая звезда), выбрасывая в космос существенную часть своей массы (около 0,3–1 солнечных масс), которая движется со скоростью около 10 тысяч километров в секунду. При этом тяжелые элементы, накопленные в звезде за время ее жизни, попадают в межзвездное пространство, формируют газовые скопления, из которых потом образуются звезды следующего поколения, некоторые из них — с планетными системами. Наше Солнце представляет собой звезду третьего поколения, родившуюся примерно 5 миллиардов лет назад (именно благодаря этому у Солнца смогла появиться планетная система, состоящая из тяжелых элементов, которые были наработаны звездами предыдущих поколений).

Вот так или примерно так за 14 миллиардов лет, отделяющих нас от момента Большого взрыва, быстро расширяющееся облако протонов и ядер гелия утратило однородность и эволюционировало в структурированную Вселенную, в которой есть галактики, звезды, планеты, Солнце и мы с вами.

Джордано Бруно: «Кто догоняет меня, кусает меня. »

История развития представлений о Вселенной полна драматических моментов, причем это характерно не только для средневековья, но и для современности. Однако никто лучше не скажет о накале борьбы за истину, чем классик, знающий эту борьбу не понаслышке. Вот письмо Джордано Бруно, которое он предпослал своим диалогам «О бесконечности, вселенной и мирах» («Диалоги». М.: Госполитиздат, 1949).

Вступительное письмо, написанное знаменитейшему синьору Микелю
ди Кастельново, синьору ди Мовисьеро, Конкресальто
и ди Жонвилля, кавалеру ордена христианнейшего короля,
советнику его тайного совета, капитану 50 солдат
и послу у светлейшей королевы Англии

Если бы я, знаменитейший кавалер, владел плугом, пас стадо, обрабатывал сад или чинил одежду, то никто не обращал бы на меня внимания, немногие наблюдали бы за мной, редко кто упрекал бы меня, и я легко мог бы угодить всем. Но я измеряю поле природы, стараюсь пасти души, мечтаю обработать ум и исследую навыки интеллекта — вот почему кто на меня смотрит, тот угрожает мне, — кто наблюдает за мной, нападает на меня, — кто догоняет меня, кусает меня, — кто меня хватает, пожирает меня; и это не один или немногие, но многие и почти все. Если вы хотите понять, откуда это, то я вам скажу, что причиной этого окружение, которое мне не нравится, чернь, которую я ненавижу, толпа, которая не удовлетворяет меня; я влюблен в одну, и благодаря ей я свободен в подчинении, доволен в муках, богат в нужде и жив во смерти; благодаря ей я не завидую тем, которые являются рабами в свободе, мучаются в наслаждениях, бедны в богатствах и мертвы в жизни: ибо в теле они имеют цель, которая их связывает, в духе — ад, который их угнетает, в душе — заблуждение, которое их заражает, в мысли — летаргию, которая их убивает; и нет великодушия, которое их освободило бы, долготерпения, которое их возвысило бы, сияния, которое их осветило бы, знания, которое их оживило бы. Отсюда происходит то, что я не отступаю, подобно усталым, с крутого пути; и, подобно тоскующим, я не отказываюсь от дела, которое мне представляется; и, подобно отчаявшимся, я не поворачиваюсь спиной к неприятелю, который противостоит мне; подобно заблуждающимся, не отворачиваю очей от божественного предмета; а между тем меня большей частью считают софистом, который больше стремится казаться тонким, чем быть правдивым; честолюбцем, который больше стремится основать новую и ложную секту, чем подтверждать старую и истинную; искусителем, который добывает блеск славы, распространяя тьму заблуждений; беспокойным умом, который опрокидывает здания здравых дисциплин и создает орудия разврата. Поэтому, синьор, пусть святые божества уничтожат всех тех, которые несправедливо ненавидят меня, пусть будет ко мне всегда благосклонным мое божество, пусть будут ко мне благоприятными все правители нашего мира, пусть звезды приготовят такой посев для поля и такое поле для посева, чтобы из моего труда выросли полезные и славные плоды для мира, которые раскрыли бы дух и пробудили бы чувства у лишенных света; я ж, конечно, не измышляю чего-либо и, если и заблуждаюсь, то не думаю на самом деле, что заблуждаюсь; когда я говорю или пишу, то спорю не из любви к победе самой по себе (ибо я считаю всякую репутацию и победу враждебными Богу, презренными и лишенными вовсе чести, если в них нет истины), но из любви к истинной мудрости и из стремления к истинному созерцанию я утомляюсь, страдаю и мучаюсь. Это докажут убедительные аргументы, которые зависят от живых оснований, которые происходят от упорядоченных чувств, которые получают сведения не от ложных образов, но от истинных, отделяющихся от природных предметов, подобно верным посланцам; они представляются наличными для тех, кто их ищет, открытыми для тех, кто на них смотрит, ясными для тех, кто их изучает, достоверными для тех, кто их понимает. И вот я вам представляю мои соображения о бесконечности, вселенной и бесчисленных мирах.

Важные мелочи

Обратите внимание на выдающуюся роль самых разных «почти» и «чуть-чуть» в истории барионной материи, из которой состоит видимый мир. Барионов в ранней Вселенной было всего на 0,0000001% больше, чем антибарионов, и это позволило сохранить достаточно барионной материи, чтобы из нее можно было построить современную Вселенную. Масса нейтрона едва заметно, на 0,14%, больше массы протона — и становится возможным существование стабильных ядер и протекание реакций термоядерного синтеза, в которых образуются тяжелые элементы. Вещество в молодой Вселенной после Большого взрыва распределено почти равномерно, неоднородности в плотности имеют микроскопический масштаб, но эти первоначальные малости позволили в конце концов сформировать галактики, звезды и планеты. Благодаря всем этим «чуть-чуть» существует мир, в котором есть мы.

И последнее. Мы с вами сделаны из вещества, некогда образовавшегося в недрах звезд. Мы — звездные люди. Все до одного. Вне зависимости от возраста, национальности, религиозных и политических убеждений. Давайте постараемся никогда не забывать об этом.

Источник