Тайны Вселенной. Ископаемые космоса

Втр, 07/30/2013 - 19:01

Итак, протоны и нейтроны — эти “кирпичики мироздания” — существовали не всегда, а “выморозились” из “кваркового бульона” спустя примерно 10-3 сек. после Большого взрыва, поэтому эти ядерные частицы (нуклоны) можно считать реликтами первой миллисекунды существования Вселенной. Реликтами первой пикосекунды можно считать лептоны и кварки, лежащие в основе всего вещества Вселенной, когда они обрели свою индивидуальность спустя лишь 10-12 сек. (триллионная доля секунды).

Однако остается главная задача, которая возвращает наблюдателя к значительно более ранней эпохе — эпохе Великого объединения.
Ни один из физических процессов не мог объяснить возникновение вещества, поэтому космологам ничего не оставалось, как предположить, что все вещество, из которого построена Вселенная, существовало с самого начала.

О возможности возникновения вещества в результате концентрации энергии стало известно в течение нескольких последних десятков лет. При Большом взрыве не было недостатка в энергии, необходимой для образования вещества видимой части Вселенной, общая масса которого оценивается в 1050 тонн. Загадка заключается в том, что все это вещество не могло возникнуть без равного количества антивещества. Возникает логичный вопрос: куда же девалось все антивещество?

Вначале рассуждений целесообразно убедиться в том, что Вселенная действительно построена только из вещества. Предположим, что, например, камень из антивещества во всех отношениях был бы сходен с камнем из вещества. Посмотрев на них, наблюдатель не заметил бы никаких различий. Тем не менее, существует безошибочный способ установить, что есть что. Если привести каждый из камней в соприкосновение с куском вещества, то камень из антивещества исчезнет, произведя взрыв, по мощности сравнимый с ядерным. Поэтому можно быть уверенным, что Земля состоит на 100% из вещества.

Но присуща ли такая асимметрия Вселенной в целом? Насколько можно судить, что если бы наша Галактика содержала антивещество в сколько-нибудь значительном количестве, то при неизбежных столкновениях между газом, пылью, звездами, планетами и другими объектами вещество, встречаясь с антивеществом, аннигилировало бы, в результате чего возникали бы мощные потоки гамма-излучения, которые до сих пор не зафиксированы. По имеющимся данным, содержание антивещества в нашей Галактике не превышает тысячной доли, поэтому можно считать, что она в целом состоит из вещества, если не учитывать единичные антипротоны, обнаруженные в космических лучах. Но все же, если рассматривать Вселенную как целое, то трудно понять, каким образом первоначальная смесь вещества и антивещества могла как-то разделиться и попасть в удаленные области пространства и не воздействовать друг на друга.

В конце 70-х годов прошлого столетия физики нашли механизм нарушения симметрии в виде теорий Великого объединения (ТВО), которые предсказали распад протона с образованием позитрона. Связь между распадом протона и асимметрией вещества и антивещества можно усмотреть в возможной судьбе атома водорода, состоящего из протона и электрона, в отдаленном будущем. При распаде протона образуется пион и позитрон. Пион распадается на два фотона, а позитрон аннигилирует с электроном, создавая еще два фотона. Таким образом, атом вещества прекращает свое существование, превращаясь целиком в излучение. В результате этого процесса вещество, не взаимодействуя с антивеществом, полностью переходит в энергию излучения. Если взять во внимание, что каждый физический процесс обратим, то в данном случае это означает прямое превращение энергии излучения в вещество, не сопровождающееся образованием антивещества. Именно такой процесс, значительно ускоренный, мог бы объяснить возникновение вещества.

Чтобы детально смоделировать процесс рождения Вселенной, необходимо вернуться к так называемой эре ТВО — это означает предпринять попытку описать Вселенную в возрасте всего лишь 10-32 секунды! В этот момент космос был бы заполнен “супом” из странных, неведомых ученым частиц, в том числе чрезвычайно массивных. По оценкам плотность “супа” составляла около 1073 кг/м3, а температура — около 1028 К. Вселенная в тот момент была еще столь юной, что свет не успел пройти путь, равный миллиардной доле поперечника протона. Важнейшими составляющими экзотического супа были, вероятно, сверхмассивные Х-частицы — переносчики взаимодействия в ТВО, которые и привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества. При распаде Х-частицы образуется много дочерних частиц, которые, например, на 2/3 представляют собой вещество, и лишь на 1/3 — антивещество.

Проведенные в 1956 году американскими учеными китайского происхождения Т.Д. Ли, Ч.Н. Янгом и Ч.С. Ву эксперименты доказали, что слабые взаимодействия нарушают считавшееся “неприкосновенным” свойство природы, известное как зеркальная симметрия. Считалось, что античастицы нарушают зеркальную симметрию в противоположном смысле по сравнению с частицами. Как правило, античастицы проявляют свойства, противоположные свойствам частиц. Если бы это было так, то в процессе Большого взрыва во Вселенной не могло бы возникнуть преобладание вещества над антивеществом. Действительно, для любого процесса рождения частицы существовал бы зеркальный процесс, в котором рождалась античастица.

В 1964 году решающий эксперимент провели В.Л. Фитч и Дж.У. Кронин в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), в котором установили, что частицы и античастицы нарушают зеркальную симметрию не противоположно друг другу и не в равной степени.

В конце 70-х годов прошлого века, на основе предположения, что указанная выше асимметрия действительно присуща силе, господствующей в ТВО, асимметрия между веществом и антивеществом характеризуется отношением (109+1):109. Это означает, что на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. Несмотря на малость этого эффекта, оказалось, что он играет решающую роль. По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом и при этом почти все вещество исчезло. “Почти”, а не целиком, — поскольку имеется избыток вещества над антивеществом в одну частицу на миллиард. Именно этот, крошечный, на первый взгляд, остаток — своего рода оплошность природы — и послужил материалом, из которого построено все, включая галактики, звезды, планеты и, в конечном счете, нас самих. Очевидно, что все вещество Вселенной является реликтом эры ТВО, длившейся всего 10-32 секунды с момента рождения Вселенной.

Уровень тепловой энергии был, казалось, еще одним произвольным параметром, характеризующим Вселенную “от рождения”. Оставалось непонятным, почему температура этого излучения должна составлять именно 3К? ТВО позволили объяснить это значение температуры из физических соображений. Современная температура фонового излучения, равная 3К, соответствует примерно 109 фотонам на каждый электрон или протон во Вселенной, что хорошо согласуется с превышением числа частиц над числом античастиц (1 на 109), предсказываемым ТВО. В 1967 году А.Д. Сахаров высказал идею о том, что это отношение определяется избытком нуклонов над антинуклонами, который обусловлен распадом протона и нарушением симметрии.

Откуда же взялась эта энергия, вдохнувшая жизнь в нашу Вселенную? Согласно теории инфляции, это — энергия пустого пространства, иначе — квантового вакуума. Тут же напрашивается вопрос, а каким же образом приобрел энергию вакуум? Одним из фундаментальных законов физики является закон сохранения энергии, согласно которому различные формы энергии могут изменяться и переходить одна в другую, однако полное количество энергии остается неизменным. Кроме этого, ученые пришли к выводу, что, как бы энергия не передавалась или как бы не изменялась ее форма, ее, очевидно, нельзя ни создать, ни уничтожить. Но если энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, то как же все-таки возникает первичная энергия?

В доступной наблюдению Вселенной заключено около 1068 Дж (джоулей) энергии. Теория инфляции предлагает одно из возможных научных объяснений этой загадки. Согласно этой теории, Вселенная вначале имела энергию, фактически равную нулю, и за первые 10-32 сек. ей удалось вызвать к жизни все гигантское количество энергии. Зерно понимания этого чуда заложено в том замечательном факте, что закон сохранения энергии в обычном смысле не применим к расширяющейся Вселенной. Космологическое расширение приводит к понижению температуры Вселенной: соответственно энергия теплового излучения, столь большая в первичной фазе, истощается, и температура опускается до значений, близких к абсолютному нулю. Куда же делась вся эта тепловая энергия? В некотором смысле она израсходована Вселенной на расширение и обеспечила давление, дополняющее силу Большого взрыва.

Космическое отталкивание сходно с поведением среды с отрицательным давлением, то есть при расширении такой среды ее энергия не уменьшается, а растет. Именно это и происходило во время инфляции, когда космическое отталкивание заставило Вселенную ускоренно расширяться. В течение всего этого периода полная энергия вакуума продолжала возрастать, пока к концу периода инфляции не достигла критического уровня. Как только период инфляции завершился, вся накопленная энергия высвободилась в одном гигантском всплеске, порождая теплоту и вещество в полном масштабе Большого взрыва. С этого момента началось обычное расширение с положительным давлением, так что энергия вновь стала уменьшаться. Вакуум с таинственным отрицательным давлением наделен, по-видимому, совершенно невероятными возможностями. С одной стороны, он создает чудовищную силу отталкивания, обеспечивающую его все ускоряющееся расширение, а с другой — само расширение форсирует возрастание энергии вакуума. Вакуум по существу сам питает себя энергией в огромных количествах. В нем заложена внутренняя неустойчивость, обеспечивающая непрерывное расширение и неограниченное производство энергии. И только квантовый распад ложного вакуума кладет предел этому “космическому мотовству”. Вакуум служит у природы волшебным, бездонным кувшином энергии, и в принципе не существует предела величины энергии, которая могла бы выделяться в ходе инфляционного расширения.

Вблизи поверхности черных дыр гравитация столь сильна, что вакуум кишмя кишит непрерывно рождающимися частицами (рис. 6).
Это и есть знаменитое излучение черных дыр, открытое Стивеном Хокингом.

В конечном счете, именно гравитация ответственна за рождение этого излучения, однако нельзя сказать, что это происходит “в старом ньютоновском” смысле: нельзя утверждать, что какая-то конкретная частица должна появиться в определенном месте в тот или иной момент времени в результате действия гравитационных сил. В любом случае, поскольку гравитация — лишь искривленное пространство-время, можно с большой вероятностью сказать, что пространство-время вызывает рождение вещества.

Идея о возможности “сотворения” из ничего до недавнего времени целиком находилась в компетенции религии, на нынешний момент эту концепцию приемлют все ведущие физики мира.

Другие материалы рубрики


  • Космологи в замешательстве. Обычно предметы, брошенные вверх, замедляются. Планеты притягивают объекты, звезды притягивают планеты. Это нормально. Но почему тогда Вселенная расширяется? Отдельные галактики, разбросанные после Большого взрыва в разные стороны, должны притягиваться друг ко другу — и расширение должно замедляться. Но того не происходит: они разлетаются друг от друга с ускорением. Принято считать, что виновата во всем темная энергия, хотя она темная именно оттого, что о ней никто ничего не знает. Но уже ясно точно, что на предельно больших расстояниях гравитация превратилась в отталкивающую силу, а не в притягивающую.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Наблюдения на рентгеновской обсерватории «Чандра» показали наличие большого числа маломассивных рентгеновских двойных звезд в эллиптических и линзовидных галактиках, а также в балджах — центральных сферических компонентах — дисковых галактик. Распределение источников по светимостям хорошо описывается двумя компонентами, граница между которыми соответствует светимости порядка (2-3) 1038 эрг/с. Т.к. эта величина примерно соответствует максимальной (т.н. Эддингтоновской) светимости объекта с массой 1.4 Мо, то возможно, что более мощные источники являются аккрецирующими черными дырами, а менее мощные — нейтронными звездами. Т.о. с некоторой долей уверенности можно говорить, что мы видим в галактиках ранних типов — эллиптических и линзовидных — тесные двойные системы как с черными дырами (самые яркие источники), так и с нейтронными звездами (менее яркие).



  • Уже очень скоро сверхмассивную черную дыру в центре нашей Галактики украсит красочный венец из молодых и ярких звезд. Следы метилового спирта в огромном газовом кольце вокруг нее означают, что в нем уже формируются массивные звезды. Раньше астрономы думали, что черная дыра образованию звезд может помешать.
    В центрах большинства галактик, особенно крупных, находятся сверхмассивные черные дыры, весящие миллионы и даже миллиарды солнечных масс — куда больше тех, что возникают в конце эволюции звезд. Судя по всему, эти объекты зародились еще в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва, породившего нашу Вселенную, и с тех пор лишь росли, постепенно нагуливая массу и освещая свои вселенские окрестности ярким светом активности галактического ядра

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Никто пока не определил, всякая ли звезда в Галактике окружена другими планетами, либо Солнце является исключением из данного правила. За последние 9 лет астрономы при наблюдении за колебательными движениями звезд, которые вызваны воздействием, оказываемым на них планетами, обнаружили сотни таких планет. Но этот метод помогает фиксировать лишь самые массивные планеты, находящиеся неподалеку от звезд. Так можно обнаружить Юпитер, Сатурн в Солнечной системе, но мелкие тела (кометы, астероиды, планеты земного типа), делающие Солнечную систему такой разнообразной, астрономы бы не смогли найти, используя эти методы наблюдения.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...Теперь вы должны быть предельно внимательны. Следующие несколько секунд окажутся решающими, поэтому вы включаете высокоскоростную регистрирующую систему для детальной записи всех приходящих сведений. Через 61 с R3D3 сообщает, что все системы пока функционируют нормально, горизонт - на расстоянии 8000 км и приближается со скоростью 15 тыс. км/с. Проходит 61,6 с. Еще все в порядке, до горизонта осталось 2000 км, скорость - 30 тыс. км/с (или 0,1 скорости света, так что цвет излучения начинает меняться все заметнее). А затем, в течение следующей 0,1 с вы с изумлением замечаете, что излучение из зеленого становится красным, инфракрасным, микроволновым, затем приходят радиоволны и наконец все исчезает. Через 61,7 с все кончено - лазерный луч пропал. R3D3 достиг скорости света и исчез за горизонтом.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Немного найдется произведений, передающих красоту космических объектов, называемых планетарными туманностями. Освещенные изнутри родительской звездой, расцвеченные флуоресцирующими атомами и ионами на фоне космической черноты, газовые структуры кажутся живыми. Ученые дали им прозвища — Муравей, Морская Звезда, Кошачий Глаз...
    Термин «планетарные туманности» — представляющие собой размытые, похожие на облака объекты, видимые только в телескоп — придумал два столетия назад английский астроном Вильям Гершель (William Herschel), исследователь туманностей. Многие из них имеют округлую форму, которая напомнила ученому зеленоватый диск планеты Уран, им же и открытой. К тому же он полагал, что округлые туманности могут быть планетными системами, формирующимися вокруг молодых звезд. Термин прижился, несмотря на то, что действительность оказалась иной: туманности такого типа состоят из газа, сброшенного умирающими звездами. Примерно через 5 млрд. лет Солнце закончит свой космический век изящным выбросом планетарной туманности, что не вполне соответствует теории эволюции звезд — основе, на которой базируется наше понимание космоса. Если звезды рождаются, живут и умирают круглыми, то как же они создают вокруг себя структуры, которые мы видим на фотографиях «Хаббла», подобные Муравью, Морской Звезде или Кошачьему Глазу?

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Космические фонтаны из водяного льда, пара и смеси других веществ, поднимающиеся над равнинами луны Сатурна, давно интригуют специалистов. Не хотят сходиться уравнения, описывающие энергетику этого мира, столь удаленного от Солнца. Однако все встает на свои места, если учесть новое открытие: волнующая активность Энцелада по геологическим меркам — мимолетный эпизод.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Был ли Большой взрыв началом времени или Вселенная существовала и до него? Лет десять назад такой вопрос казался нелепым. В размышлениях о том, что было до Большого взрыва, космологи видели не больше смысла, чем в поисках пути, идущего от Северного полюса на север. Но развитие теоретической физики и, в частности, появление теории струн заставило ученых снова задуматься о предначальной эпохе.
    Вопрос о начале начал занимать философов и богословов с давних времен. Он переплетается с множеством фундаментальных проблем, нашедших свое отражение в знаменитой картине Поля Гогена «D’ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous?» («Откуда мы пришли? Кто мы такие? Куда мы идем?»). Полотно изображает извечный цикл: рождение, жизнь и смерть — происхождение, идентификация и предназначение каждого индивидуума. Пытаясь разобраться в своем происхождении, мы возводим свою родословную к минувшим поколениям, ранним формам жизни и прото-жизни, химическим элементам, возникшим в молодой Вселенной, и, наконец, к аморфной энергии, некогда заполнявшей пространство. Уходит ли наше фамильное древо корнями в бесконечность или космос так же не вечен, как и мы?

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Теория эволюции звезд основана на диаграмме «спектр-светимость». Спектр звезды связан с температурой ее поверхностных слоев, светимость — это количество световой энергии, излучаемой звездой в единицу времени. По оси абсцисс откладывается последовательность спектральных классов, по оси ординат — светимость. Звезды Галактики изображаются на диаграмме точками. Точки могли бы расположиться как попало, могли бы сгуститься к одной линии. Но они сгущаются к нескольким линиям и областям, из которых выделяются пять. Им соответствуют группы звезд: звезды главной последовательности, субкарлики, красные гиганты, сверхгиганты, белые карлики. Сопоставляя диаграммы «спектр-светимость», составленные для различных звездных скоплений, можно с уверенностью утверждать, что звезды главной последовательности на определенном этапе эволюции превращаются в красные гиганты. Из диаграмм также видно, как это происходит: температура звезды начинает уменьшаться, размеры и светимость, наоборот, увеличиваются. Через некоторое время температура опять начинает расти. Скорость эволюции определяется начальной массой звезды.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Существует небольшой шанс, что через 3,34 миллиарда лет Марс столкнется с Землей. Также есть вероятность столкновения Земли и Венеры или Меркурия и Венеры. Меркурий вообще может упасть на Солнце или улететь в межзвездное пространство. Таковы причуды нашей системы, новые тайны которой раскрыли ученые.
    Подробнейшее численное моделирование эволюции орбит в Солнечной системе выполнили профессор Жак Ласкар (Jacques Laskar) и Микаэль Гастино (Mickael Gastineau) из Парижской обсерватории (Observatoire de Paris).
    Долгое время астрономы полагали, что орбиты планет в Солнечной системе стабильны и неизменны. Потом стали появляться сведения, что на заре зарождения системы орбиты ряда планет сильно отличались от нынешних и претерпевали большие изменения, прежде чем все «устоялось».