Синтез элементов

Еще в начале 40-х годов идею Большого Взрыва пытались использовать для объяснения происхождения химических элементов. Американские исследователи Р. Альфер, Г. Гамов и Р. Герман предположили, что на самых ранних этапах своего существования Вселенная представляла собой сгусток сверхплотного нейтронного газа (или, как они его назвали, «илема»). Позже, однако, было показано, что ряд тяжелых элементов может образоваться в недрах звезд за счет циклов ядерных реакций, так что нужда в «илеме», казалось, отпала.

Уточнение химического состава Космоса вскоре привело к противоречию. Если подсчитать, сколько водорода в звездах нашей Галактики должно было за время ее существования (10 млрд. лет) «перегореть» в гелий, то окажется, что наблюдаемое количество гелия в 20 раз больше того, которое получается по теоретическим расчетам. Это означает, что источником образования гелия должен быть не только его синтез в недрах звезд, но и какие-то иные, весьма мощные процессы. В конце концов пришлось снова обратиться к идее Большого Взрыва и в нем искать источник избыточного гелия. На этот раз успех выпал на долю известных советских ученых академика Я. Б. Зельдовича и И. Д. Новикова, которые в серии обстоятельных работ подробно обосновали теорию Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной (Я. В. Зельдович, И. Д. Новиков. Строение и эволюция Вселенной. М., Наука, 1975). Основные положения этой теории сводятся к следующему.

Расширение Вселенной началось с очень большой плотности и очень высокой температуры. На заре своего существования Вселенная напоминала лабораторию высоких энергий и высоких температур. Но это, конечно, была лаборатория, не имеющая земных, аналогий.

Само «начало» Вселенной, т. е. ее состояние, соответствующее, по теоретическим расчетам, радиусу, близкому к нулю, ускользает пока даже от теоретического представления. Дело в том, что уравнения релятивистской астрофизики сохраняют силу до плотности порядка 10 93 г/см3. Сжатая до такой плотности Вселенная когда-то имела радиус порядка одной десятибиллионной доли сантиметра, т. е. по размерам была сравнима с протоном! Температура этой микровселенной, кстати сказать, весившей не менее 10 51 тонн, была неимоверно велика и, по-видимому, близка к 10 32 градусам. Такой Вселенная была спустя ничтожную долю секунды после начала «взрыва». В самом же «начале» и плотность и температура обращаются в бесконечность, т. е. это «начало», применяя математическую терминологию, является той особой «сингулярной» точкой, для которой уравнения современной теоретической физики теряют физический смысл. Но это не означает, что до «начала» ничего не было: просто мы не можем представить себе, что было до условного «начала» Вселенной.

В нашей жизни секунда - ничтожный интервал. В первые же моменты жизни Вселенной (условно отсчитываемой от «начала»), уже на протяжении первой секунды развернулось множество событий. Термин «расширение» тут кажется слишком слабым и потому неуместным. Нет, это было не расширение, а сильнейший по мощности взрыв.

К исходу одной стотысячной доли секунды после «начала» Вселенная в своем микрообъеме заключала смесь элементарных частиц: нуклонов и антинуклонов, электронов и позитронов, а также мезонов, квантов света (фотонов). В этой смеси, по мнению Я. Б. Зельдовича, вероятно, присутствовали гипотетические (пока) гравитоны и кварки (Гравитоны и кварки - гипотетические частицы; взаимодействие гравитонов с другими частицами обусловливает гравитационное поле (это кванты гравитационного поля); кварки - «основные кирпичики», комбинации которых дают все многообразие частиц. На обнаружение кварков затрачено много сил и средств, но они до сих пор не найдены), но главная роль все же, по-видимому, принадлежала нейтрино.

Когда «возраст» Вселенной составлял одну десятитысячную долю секунды, ее средняя плотность (10 14 г/см3) была уже близка к плотности атомных ядер, а температура снизилась примерно до нескольких биллионов градусов. К этому времени нуклоны и антинуклоны уже сумели аннигилировать, т. е. взаимно уничтожиться, превратившись в кванты жесткого излучения. Сохранялось лишь и множилось количество нейтрино, рождавшихся при взаимодействии частиц, так как нейтрино наиболее слабо взаимодействуют с другими частицами. Это растущее «море» нейтрино изолировало друг от друга наиболее долго живущие частицы - протоны и нейтроны и обусловило превращение протонов и нейтронов друг в друга и рождение электрон-по-зитронных пар. Неясно, чем обусловлено последующее преобладание в нашем мире частиц и незначительное количество античастиц. Возможно, почему-либо имела место изначальная асимметрия: число античастиц всегда было меньше числа частиц, либо, как полагают некоторые ученые,благодаря не известному пока механизму разделения частицы и античастицы отсортиро-вались, сконцентрировавшись в разных частях Вселенной, а античастицы где-то так же преобладают (как в нашем мире преобладают частицы), образуя антимир.

По словам Я. Б. Зельдовича, «на сегодняшний момент во Вселенной остались кванты, которые мы наблюдаем, а также нейтрино и гравитоны, которые современными средствами мы наблюдать не можем и, вероятно, не сможем еще много лет».

Продолжим цитату:

«Итак, с течением времени во Вселенной все частицы «вымирают», остаются только кванты. С точностью до одной стомиллионной это правильно. Но в действительности на каждые сто миллионов квантов приходится один протон или нейтрон. Эти частицы сохраняются потому, что им - оставшимся частицам - не с чем аннигилировать (вначале нуклоны, протоны и нейтроны аннигилировали со своими античастицами). Их мало, но именно из этих частиц, а не из квантов состоят Земля и планеты, Солнце и звезды» (Земля и Вселенная, 1969, № 3, с. 8 (Я. Б. Зельдович. Горячая Вселенная)).

Когда возраст Вселенной достиг трети секунды, плотность снизилась до 10 7 г/см3, а температура - до 30 млрд. градусов. В этот момент, по выражению академика В. Л. Гинзбурга, нейтрино отрываются от нуклонов и в дальнейшем уже не поглощаются ими. Сегодня эти «первичные», странствующие в космическом пространстве нейтрино должны обладать энергией всего в несколько десятитысячных долей электронволь-та. Фиксировать такие нейтрино мы не умеем: для этого чувствительность современной аппаратуры надо увеличить в сотни тысяч раз. Если когда-нибудь это удастся сделать, «первичные» нейтрино принесут нам ценную информацию о первой секунде жизни Вселенной.

К исходу первой секунды Вселенная увеличилась до размеров, примерно в сто раз превышающих размеры современной Солнечной системы, поперечник которой равен 15 млрд. км. Теперь уже плотность ее вещества составляет 1 т/см3, а температура - около 10 млрд. градусов. Здесь еще ничто не напоминает современный космос. Отсутствуют привычные нам атомы и атомные ядра, нет и стабильных элементарных частиц.

Всего 0,9 секунды ранее при температуре 100 млрд. градусов протонов и нейтронов было поровну. Но при снижении температуры более тяжелые нейтроны распадались на протоны, электроны и нейтрино. Значит, число протонов во Вселенной неуклонно росло, а количество нейтронов уменьшалось.

Возраст Вселенной - три с половиной минуты. Теоретические расчеты фиксируют для этого момента температуру в 1 млрд. градусов и плотность уже в сто раз меньше плотности воды. Размеры Вселенной всего за три с половиной минуты возросли почти от нуля до 40 св. лет (Для расширения пространства скорость света не является предельной). Создались условия, при которых протоны и нейтроны стали объединяться в ядра самых легких элементов, преимущественно водорода. Наступает некоторая стабилизация, и к концу четвертой минуты от начала «первовзрыва» Вселенная по массе состояла из 70% водорода и 30% гелия. Вероятно, таким же был первоначальный состав самых древних звезд. Более тяжелые элементы возникли позже в результате тех процессов, которые совершаются в звездах.

Дальнейшая история Вселенной более спокойна, чем ее бурное начало. Темп расширения постепенно замедлился, температура, как и средняя плотность, постепенно снижалась, и когда Вселенной исполнился миллион лет, ее температура стала настолько низкой (3500 градусов по Кельвину), что протоны и ядра атомов гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в нейтральные атомы. С этого момента, по существу, начинается современный этап эволюции Вселенной. Возникают галактики, звезды, планеты. В конце концов через много миллиардов лет Вселенная стала такой, какой мы ее видим.

Возможно, некоторые из читателей, пораженные колоссальными, далекими от привычной реальности числами, подумают, что нарисованная в самых общих чертах история Вселенной есть лишь теоретическая абстракция, далекая от действительности. Но это не так. Теория раширяющейся Вселенной объясняет разбегание галактик. Она подтверждается многими современными данными о космосе. Наконец, недавно было найдено еще одно очень убедительное опытное подтверждение сверхгорячего состояния древней Вселенной.

Первичная плазма, которая изначально заполняла Вселенную, состояла из элементарных частиц и квантов излучения, или фотонов, - это был так называемый фотонный газ. Первоначально плотность излучения в «микровселенной» была очень велика, но по мере ее расширения «фотонный газ» постепенно охлаждался. Так охлаждался бы горячий воздух внутри какого-нибудь непрерывно расширяющегося замкнутого объема.

Ныне от первичного «жара» должны были бы остаться лишь трудноуловимые следы. Энергия квантов первичного «фотонного газа» снизилась до величины, отвечающей температуре всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Ныне первичный «фотонный газ» должен излучать наиболее интенсивно в сантиметровом радиодиапазоне.

Таковы теоретические прогнозы. Но они подтверждаются наблюдениями. В 1965 г. американские радиофизики обнаружили шумовое радиоизлучение на волне 7,3 см. Это излучение равномерно поступало из всех точек небосвода и явно не было связано с каким-нибудь дискретным космическим радиоисточником. Не повинны в нем и земные радиостанции, и помехи, порождаемые радиоаппаратурой.

Так было открыто реликтовое излучение Вселенной, остаток ее первичной невообразимо высокой температуры. Тем самым получила подтверждение «горячая» модель первичной Вселенной, теоретически рассчитанная Я. Б. Зельдовичем и его учениками.

Итак, судя по всему, Вселенная родилась в результате мощнейшего «первовзрыва». Из ничтожно малого по объему, но сверхтяжелого, сверхплотного, сверхгорячего сгустка вещества и излучения за несколько миллиардов лет возникло то, что ныне мы именуем Космосом.

Когда из очень малого, но невообразимо плотного сгустка вещества Вселенная расширилась до космических размеров, исполинский, еще очень горячий и сверхплотный шар ее, вероятно, распался на множество «осколков». Это могло быть следствием, например, неоднородности шара и различной скорости процессов, в нем происходивших.

Каждый из «осколков», состоявший из дозвездной материи с громадными запасами энергии, в свою очередь со временем распадался. Возможно, что продуктами распада и были квазары - зародыши галактик. Как полагают академик В. А. Амбарцумян и другие исследователи, в ядрах квазаров (а равно и в ядрах галактик) сосредоточено дозвездное вещество, свойства которого мы пока не можем определить, а внешние их слои состоят из плазмы и газов, плотность которых всего лишь в несколько раз выше, чем плотность материи в галактиках. Если это так, то надо признать, что «первовзрыв» и последующие, вторичные взрывы выбрасывали в пространство не только «осколки» дозвездного вещества, но и диффузную материю - плазму, газы, из которых формировалась пылевая материл. При этом надо думать, что первоначальное содержание газопылевой материи во Вселенной было значительно более высоким, чем ныне.

Как бы то ни было, по нашим современным представлениям, вплоть до стадии появления галактик во Вселенной преобладали взрывные процессы. Но как мы видели, взрывные процессы характерны и для стадии галактик, хотя интенсивность их уменьшается в процессе эволюции галактик - от бурных проявлений энергии в галактиках Маркаряна и Сейферта до спокойного истечения материи из ядер таких галактик, как наша. Таким образом, теория расширяющейся Вселенной, возможно, смыкается с концепцией академика Амбарцумяна, который, основываясь на собственных открытиях и открытиях своих сотрудников, а также на трудах зарубежных астрономов, распространяет идею созидающего взрыва и на процессы звездообразования. Согласно этой концепции, и все известные нам космические объекты (галактики, звезды, газопылевые туманности) рождаются в процессе взрыва из сверхплотных, начиненных огромными запасами энергии сгустков дозвездного вещества. Потому-то звезды и возникают в виде разлетающейся, первоначально компактной группы, состоящей из многих тысяч или миллионов звезд. Автору эта гипотеза кажется наиболее вероятной из всех других, а потому он предлагает следующую «родословную» всех космических объектов.

«Первоатом», т. е. Вселенная в первичном сверхплотном состоянии, и первичный огненный шар - ее самые далекие предки, давшие, конечно, кроме планет почти бесчисленное потомство всех космических объектов.

Какой-то фрагмент огненного шара, возможно, стал зачаточным ядром нашей Галактики и со временем обзавелся звездным населением. Это зачаточное галактическое ядро и, вероятно, отпочковавшаяся от него звездная ассоциация, в которую входило Солнце, - следующие, более близкие к нам по времени «родственники» Земли.

Предложенная схема эволюции космоса от «перво-атома» к звездам - лишь гипотеза, подлежащая дальнейшей разработке и проверке. Пока никакой теории превращения гипотетической «дозвездной материи» в наблюдаемые космические объекты не существует, и это обстоятельство - одно из уязвимых мест в концепции В. А. Амбарцумяна.

С другой стороны, рождение звезд путем конденсации разреженной газопылевой материи нельзя считать абсолютно невозможным, наоборот, до сих пор большинство астрономов придерживается подобной «конденсационной» гипотезы. Гигантские скопления газопылевой материи, возможно, возникли на стадии «вторичных» взрывов «осколков первовзрыва». Можно полагать, что распределение вещества в них было поначалу неравномерным. Некоторое общее вращение таких скоплений порождает, вероятно, в них мощные магнитные поля, благодаря чему структура газопылевых облаков могла стать волокнистой. Под воздействием гравитационных сил в расширениях (узлах) этих «волокон» и могла начаться концентрация материи, приводившая к возникновению целых семейств звезд.

Этой концепции пока придерживается большинство исследователей, хотя и она имеет свои слабые стороны. Вполне допустимо, что обе концепции («взрывная» и «конденсационная») вовсе не исключают, а дополняют друг друга: ведь при распаде дозвездной материи возникают не только звезды, но и туманности. Может быть, вещество этих туманностей когда-нибудь послужит (или уже много раз служило) исходным материалом для конденсации звезд и планет? Лишь будущие исследования смогут внести полную ясность в этот вопрос.

Теория Большого Взрыва, разработанная Я. Б. Зельдовичем и Н. Д. Новиковым, отлично объяснила «избыток» гелия во Вселенной. По их недавним расчетам, уже спустя 100 секунд после начала расширения водорода во Вселенной было 70%, гелия - около 30%. Остальной гелий и более тяжелые элементы появились в ходе эволюции звезд.

Несмотря на этот большой успех, горизонты теории Большого Взрыва отнюдь не безоблачны. За последнее время открыт ряд фактов, не укладывающихся в рамки этой теории (Подробнее см. в кн.: В. П. Чечев, Я. М. Крамаровский. Радиоактивность и эволюция вселенной. М., Наука, 1978). Так, например, известны галактики, явно физически связанные между собой и находящиеся от нас на равном расстоянии, но имеющие при этом существенно различающиеся (иногда в 13 раз!) «красные смещения». Непонятно и другое: почему на одном и том же расстоянии спиральные галактики имеют всегда большие «красные смещения», чем эллиптические галактики. По некоторым данным получается, что в разных направлениях скорость расширения, «распухания» Вселенной неодинакова, что противоречит сложившимся до сих пор представлениям о строго «сферической» форме расширяющегося мира?

Наконец, недавно выяснилось, что скорости галактик относительно фона реликтового излучения очень малы. Они измеряются не тысячами и десятками тысяч километров в секунду, как это следует из теории расширяющейся Вселенной, а всего лишь сотнями километров в секунду. Выходит, что галактики практически покоятся относительно реликтового фона Вселенной, который по ряду причин можно считать абсолютной системой отсчета (Подробнее см. в кн.: Развитие методов астрономических исследований (А. А. Ефимов. Астрономия и принцип относительности). М., Наука, 1979, с. 545).

Как преодолеть эти трудности, пока неясно. Если окажется, что «красное смещение» в спектрах галактик вызвано не эффектом Доплера, а каким-то иным, пока не известным нам процессом, нарисованная схема происхождения химических элементов может оказаться неверной. Однако скорее всего Большой Взрыв не иллюзия, а реальность, и теория «горячей» расширяющейся Вселенной есть одно из важнейших достижений науки XX века.

В заключение заметим, что каких бы взглядов на эволюцию Вселенной ни придерживаться, остается незыблемым бесспорный факт - мы живем в химически нестабильном Мире, состав которого непрерывно меняется.