Гравитация Том 2 - Мизнер Ч.
Скачать (прямая ссылка):
После этой ранней фазы гравитоны (если они присутствовали) и нейтрино продолжали распространяться свободно, сохраняя чернотельный спектр, однако из-за расширения Вселенной их температуры испытывали красное смещение согласно закону
T ~ IIa (28.1)
(дополнение 29.2). Следовательно, сегодня температуры гравитонов и нейтрино должны были бы грубо равняться ЗК и они должны были бы заполнять Вселенную *). К сожалению, современная экспериментальная техника еще далека от того, чтобы обнаружить такое «море» нейтрино и гравитонов. Однако, если и когда нейтрино и гравитоны будут обнаружены, они дадут непосредственную наблюдательную информацию о первой секунде жизни Вселенной!
После первых нескольких секунд расширения Вселенной наступает период, длящийся от t ~ 2 до t ~ 1000 с (от Г ~ IO10 до ~ 10ВК, от р~ 10+б до IO-1 г/смя), в течение которого происходит образование первичных элементов. До этого периода вокруг имелось достаточно много протонов с высокой энергией, которые могли разорвать любое атомное ядро (например, дейтерия, или трития, или He8, или He4) в момент его образования; после этого периода протоны были слишком холодны (имели очень низкие кинетические энергии), чтобы преодолеть взаимные кулоновские барьеры, а все свободно проникающие нейтроны, оставшиеся от ранней горячей стадии, распались на электроны и протоны. Лишь в течение короткого решающего периода от t ~ 2 до t ~ ~ 1000 с условия были благоприятны для образования элементов. Расчеты Гамова [431], Альфера и Германа [432—434], Ферми и Typ-кевича [435], Пиблса [436] и Вагонера, Фаулера и Хойла [437] показали, что в течение этого периода 25% барионов во Вселенной должно было превратиться в He4 (ос-частицы) и приблизительно
2) термодинамическое равновесие, распад частиц, рекомбинации пар (0<С(^10 с)
3) отделение и свободное распространение гравитонов и нейтрино С)
4) обраеоваиис
первичных
влементов
2 с^И^ЮОО с
*) Точнее, температура нейтрино должна быть около 2К, температура гравитонов — 1К.—Прим. ред.
I
442 28. Эволюция Вселенной к ее современному состоянию
5) тепловое вааюгодеАотвие вещества и нал учении
<10 0 Oc 101 лет)
<6 рекомбинация плазмы я переход к состоянию, в которой преобладает вещество <t ~ IOi лет)
75% должно было остаться в виде H1 (протонов). Должны быть созданы также следы дейтерия, He8 и Li, однако тяжелые элементы, по существу, не возникали. Все наблюдаемые сегодня тяжелые элементы должны быть созданы позже в звездах (см., например, [438] или [439]). Современные астрономические исследования обилия тяжелых элементов дают некоторую поддержку этим предсказаниям, однако наблюдательные данные пока еще очень неубедительны (см., например, [440] и стр. 268—275 из книги Пиблса [363]).
После образования первичных элементов вещество и излучение продолжают взаимодействовать тепловым образом, поддерживая друг у друга одинаковую температуру посредством часто повторяющейся ионизации и рекомбинации атомов. Если бы температуры излучения и вещества не были связаны, излучение охлаждалось бы более медленно, чем вещество (при адиабатическом расширении Ткзя ~ 1/а, но Ttbwii ~ IIa2). Поэтому тепловое равновесие поддерживалось только путем постоянного переноса энергии от излучения к веществу. Однако теплоемкость излучения была намного больше теплоемкости вещества. Поэтому перенос энергии оказывал пренебрежимо малое влияние на ризл, ризл и Th3ji. Oh поддерживал температуру вещества (T1eem = Tvl3n), не понижая существенно температуру излучения. С другой стороны, полная масса-энергия вещества была и остается меньше массы ПОКОЯ. Поэтому перенос энергии ПОЧТИ не ВЛИЯЛ на Ряещ. [Это обстоятельство оправдывает использованное при переходе от уравнения (27.31) к уравнению (27.32) приближение, при котором пренебрегалось переносом энергии.]
Когда температура, уменьшаясь, достигает нескольких тысяч градусов (а/аэ IO-8, р ~ IO-20 г/см3, t ~ IO6 лет), наступают два интересных момента: во Вселенной перестает преобладать излучение и она переходит к стадии преобладания вещества [рвещ ^ Рвещ., о (а01а)8 начинает превышать ризл “ Риал., о (а0/я)4]; у фотонов оказывается недостаточно высокая энергия, чтобы удержать атомы водорода в ионизованном состоянии, поэтому электроны и протоны начинают быстро рекомбинировать. Грубое совпадение этих событий есть результат того, что энтропия нашей Вселенной, приходящаяся на один барион, имеет определенное, почти сохраняющееся значение
- (число фотонов во Вселенной)
s s энтропия на барион ~ ----------=-----------=--------~ IO8.
(число барионов во Вселенной)
Никому не удалось пока объяснить, почему Вселенная начала расширяться с таким, а не с некоторым другим значением s (например, единицей).
Рекомбинация плазмы при t ~ IO6 лет была решающим событием, поскольку она положила конец взаимодействию и тепловому равновесию между излучением и веществом («отделение
§ 28.1. «Стандартная модель» Вселенной 443
I
излучения от вещества»). После этого, испытывая рассеяние на 7) поолвдующее очень небольшом количестве свободных электронов (релеевское §^?2вТРаНвНИЄ рассеяние на атомах и молекулах несущественно), фотоны почти (t ^io1 лет) свободно распространяются в пространстве. Если бы не процессы вторичной ионизации межгалактическоё среды, происходившие между ala0 — 10~8 и ala0 ~ 0,1 и сопровождавшиеся освобождением энергии, фотоны распространялись бы свободно с момента рекомбинации плазмы. Даже если происходила вторичная ионизация, фотоны распространялись свободно, по краёней мере с момента а!а0 —-> 0,1.
