Эволюция Вселенной

Сегодня мы уже знаем, что Вселенная не всегда была такой, как в нашу эпоху. Считается, что пятнадцать — восемнадцать миллиардов лет назад не было ни звезд, ни галактик, ни планет, ни туманностей, а лишь сверхплотный сгусток раскаленной плазмы. Расширение этого сгустка и всевозможные превращения, происходившие затем с его веществом, и привели к образованию всех тех разнообразнейших объектов, которые составляют современную Вселенную.

Восемнадцать миллиардов лет! Срок эволюции Вселенной настолько длительный, что его трудно даже себе представить. Он не идет ни в какое сравнение не только с масштабами человеческой жизни, но даже с продолжительностью существования всего человечества. И, тем не менее, современное естествознание упорно стремится проникнуть в прошлое. Тех сведений, которыми наука уже располагает, вполне достаточно для того, чтобы строить всевозможные теоретические модели.

Загадка далекого прошлого

Судя по всему, расширение Вселенной началось из почти однородного состояния. Возникает вопрос: как расширяющаяся ионизированная плазма распалась на отдельные объекты?

В частности, как образовались галактики — звездные острова Вселенной? Это одна из центральных проблем современной астрофизики. Имеется ряд гипотез, но ни одной из них пока нельзя отдать предпочтение.

Вообще же в современной астрофизике существуют две концепции формирования космических объектов (они же теории эволюции Вселенной). Согласно одной из них, наиболее распространенной — ее обычно называют классической,— космические объекты, в том числе звезды и галактики, формируются путем сгущения, конденсации диффузной материи — пыли.

Предполагается, что через несколько сотен тысяч лет после начала расширения возникли неоднородности среды, первичные возмущения плотности, которые затем, развиваясь тем или иным путем, превратились в скопление галактик. Фактически это была первая стадия эволюции Вселенной.

Одна из оригинальных моделей такого рода разрабатывается группой теоретиков под руководством ученого академика Я. Б. Зельдовича. В основу этой модели положены расчеты, показывающие, что первичные неоднородности среды с достаточно большой вероятностью должны постепенно трансформироваться в плоские образования несколько изогнутой формы. Ученые назвали их «блинами».

В гипотезах других авторов рассматривается вариант, в котором одной из исходных стадий формирования галактик является образование сферически симметричных сгущений.

Исследуются и различные физические механизмы, с помощью которых из первичных зародышей — неоднородностей среды могут формироваться галактики различных типов: эллиптические, спиральные, неправильной формы.

Можно ли, хотя бы в какой-то мере, проверить обоснованность подобных теоретических построений наблюдениями?

Здесь-то на помощь астрофизикам и должно прийти реликтовое излучение. В частности, это излучение может сообщить нам о том, была ли среда в соответствующую эпоху однородной или в ней имелись какие-либо неоднородности или сгущения.

В настоящее время Вселенная для квантов реликтового излучения абсолютно прозрачна. Они движутся, практически не испытывая поглощения. Однако в прошлом, когда все масштабы были примерно в 1000 раз меньше, Вселенная была для реликтового излучения совершенно непрозрачной. Благодаря этому, наблюдая реликтовое излучение, соответствующее указанной эпохе, мы как бы «натыкаемся» на стенку «непрозрачности». И если плазма в то время была совершенно однородной (без «комочков»), мы должны получать одинаковую информацию о ней со всех направлений. Как говорят астрофизики, реликтовое излучение должно быть в этом случае изотропным.

Но если какие-либо неоднородности все же существовали, то реликтовое излучение не может быть абсолютно изотропным, в нем должны наблюдаться определенные колебания — флуктуации, величину которых можно оценить, исходя из современных размеров скоплений галактик.

Чтобы обнаружить подобные мелкомасштабные флуктуации с помощью крупных радиотелескопов, проводились измерения интенсивности реликтового излучения от точки к точке. Однако никаких флуктуаций обнаружить не удалось. Тем не менее, сохранялась надежда, что с дальнейшим увеличением точности и чувствительности аппаратуры они все же будут зарегистрированы.

И вот доктор физико-математических наук Ю. И. Парийский на новом радиотелескопе «РАТАН-600» получил результат, вызвавший волнение среди теоретиков. Согласно его измерениям, мелкомасштабные флуктуации яркости реликтового излучения отсутствуют с точностью, превосходящей возможные масштабы таких флуктуаций, предсказываемых существующими гипотезами формирования галактик из неоднородностей среды. Видимо, не меняет дела и гипотеза образования галактик из так называемых «фотонных вихрей», так как в этом случае флуктуации реликтового излучения были бы еще более заметными. Разумеется, необходимы дальнейшие наблюдения, поскольку измерения мелкомасштабных флуктуаций реликтового излучения связаны с большими трудностями, вызванными необходимостью отстройки от всевозможных радиошумов.

Правда, теоретики и в существующей ситуации находят выход из создавшегося положения. При некоторых предположениях можно показать, что отсутствие мелкомасштабных флуктуаций реликтового излучения в пределах точности современных наблюдений еще не говорит о невозможности образования галактик из первичных сгущений вещества. Однако подобные расчеты всегда сопровождаются значительными неопределенностями.

Во всяком случае, те данные о реликтовом излучении, которыми мы сегодня располагаем,— это своего рода сигнал. Он вполне может означать, что галактики образовались не из неоднородностей среды, а какими-то совершенно иными путями. Один из таких возможных путей исследует школа ученого академика В. А. Амбарцумяна, получившая название бюраканской. Концепция этой школы базируется на том, что эволюция космических объектов идет от более плотных состояний к менее плотным.

«Зародышами» звезд и галактик являются гипотетические сверхплотные объекты весьма малых размеров, взрывной распад которых и ведет к образованию различных небесных тел.

В настоящее время между сторонниками обоих направлений ведется дискуссия, и отдать какому-либо из них окончательное предпочтение пока не представляется возможным. Это объясняется, с одной стороны, недостатком наблюдательных данных, а с другой —возможностью различного, иногда прямо противоположного истолкования одних и тех же фактов.

В частности, одним из основных возражений, выдвигаемых сторонниками классического направления против гипотезы сверхплотных тел, является ссылка на то, что подобные тела никогда не наблюдались. А об их физической природе не только ничего не известно, но и не существует даже никаких сколько-нибудь обоснованных теоретических предположений.

Галактики из адронов

В последние годы много пишется и говорится о глубокой взаимосвязи между микропроцессами и явлениями космического порядка и о необходимости разработки такой теории, которая объединила бы эти явления.

Возникает и такой вопрос: нельзя ли с помощью уравнений общей теории относительности объяснить некоторые свойства элементарных частиц, а свойства элементарных частиц в свою очередь использовать для выяснения физической сущности тех или иных явлений космического порядка, в частности закономерностей эволюции Вселенной.

Известно, что все элементарные частицы можно разделить на три класса: первый включает в себя фотон, второй — электрон и нейтрино, третий класс — адронов, самый многочисленный, их известно сейчас несколько сотен. К нему, в частности, относятся протон, нейтрон и мезоны.

Не исключена возможность, что в этом классе имеются частицы с весьма большими, может быть даже и космическими, массами. Современная теория подобную возможность допускает…

Таковы те исходные позиции, откуда берет старт новая гипотеза. А вот ее главная идея: не являются ли гипотетические сверхплотные тела академика Амбарцумяна адронной формой существования материи? Оказалось, что эта весьма неожиданная идея обещает некоторые возможности построения единой теории образования космических объектов.

Все космические тела вращаются. Собственное вращение — это такое же «врожденное» их свойство, как и наличие некоторой массы. И в этом отношении они в какой-то мере подобны элементарным частицам, также обладающим собственным вращением. С этим вращением связана одна из важных характеристик элементарных частиц, так называемый спин. Его аналогом для обычных вращающихся тел является момент количества движения.

В теории сильных взаимодействий есть некая формула, определяющая величину спина элементарной частицы. Из нее следует, что в зависимости от формы частицы (то есть от того, является ли она «плоской» или «сферической») ее спин с увеличением массы может возрастать либо в степени 3/2 (в «плоском» случае), либо в степени 4/3 (в «сферическом» случае).

Р. Мурадян решил проследить, как связаны с массами моменты количества движения космических объектов: астероидов, планет, звезд, галактик, а также скоплений галактик. Эти моменты могут быть определены из астрономических наблюдений.

И здесь обнаружилась любопытная закономерность. Оказалось, что если величины моментов различных космических объектов нанести на график, то они «уложатся» на двух различных прямых линиях: на одной — моменты астероидов, планет, отдельных звезд и звездных скоплений, на другой — галактик и их скоплений. Но, пожалуй, самое удивительное состоит в том, что первая прямая соответствует, как у адронов, степенной зависимости 4/3, а вторая — 3/2.

Что касается Метагалактики, то ее возможное собственное вращение пока не установлено. Тем не менее, логично предположить, что поскольку и галактики и скопления галактик обладают собственным вращением, то должна вращаться и Метагалактика, а ее момент количества движения также должен соответствовать степенному закону — 3/2.

Исходя из этих фактов, Р. Мурадян попытался установить более тесную аналогию между свойствами космических объектов и свойствами адронов. Согласно выдвинутой им гипотезе, Метагалактика образовалась в результате распада сверхтяжелого суперадрона с массой 10⁵⁶ граммов. Это и был тот «первоатом», тот сверхплотный сгусток, который дал начало наблюдаемой Вселенной. Его распад на более мелкие адроны привел к образованию протоскоплений галактик, а последующие распады на адроны еще меньшей массы — к образованию галактик. Следующим этапом был распад на адроны с массами, меньшими 10³⁴ граммов. Дальнейшие распады, по мысли Мурадяна, должны были привести к образованию диффузного облака с определенным химическим составом, в котором в результате сгущения образуются протозвезды, и так далее по обычной «классической» схеме.

Какие же физические явления и превращения скрываются за всеми этими распадами и преобразованиями?

Известно, что существуют две формы материи — адронная и ядерная. Как уже было сказано выше, исходным объектом для образования Метагалактики в этом случае является сверхтяжелый суперадрон. Моменты подобных частиц связаны с их массами законом 3/2, иными словами, суперадроны — двухмерные, плоские образования.

Однако в цепи их последовательных распадов наступает момент своеобразного превращения, так называемого фазового перехода адронной формы в ядерную. Это происходит тогда, когда в результате распадов начинают возникать объекты с массами порядка 10³³ граммов и меньше. При таком переходе кварки перегруппировываются по три, образуя обычные частицы, в основном протоны и нейтроны. У возникающих при этом объектов моменты связаны с массами законом 4/3. Следовательно, подобные объекты являются уже не плоскими, а сферическими. По своему физическому состоянию эти объекты типа нейтронных звезд, однако, с огромными моментами. Их распад и приводит к образованию диффузных облаков, из которых в дальнейшем могут формироваться звезды…

Однако в отличие от обычной классической картины эти облака не водородно-гелиевые, они могут иметь различный химический состав, зависящий от динамики распада. Следовательно, тяжелые химические элементы во Вселенной могут, по Мурадяну, возникать не только за счет взрывов сверхновых звезд, как принято считать в классической астрофизике, но и в результате деления еще более тяжелых частиц.

Таким образом, если, согласно классического варианта эволюции Вселенной, эволюционный процесс идет от объектов более разреженных к менее разреженным и от «беспорядка» к «порядку», то в модели Мурадяна на весьма значительном интервале существования Метагалактики эволюция, наоборот, идет от объектов более плотных к менее плотным и от более упорядоченных к менее упорядоченным.

Нетрудно видеть, что в этой своей части эволюционная схема Мурадяна хорошо согласуется с идеями В. А. Амбарцумяна. Однако с момента фазового перехода от адронной материи к ядерной она ближе к классической космогонии.

Как то астрофизик профессор Б. А. Воронцов-Вельяминов высказал мысль о том, не упускается ли за остротой дискуссии между сторонниками двух космогонических концепций возможность их разумного объединения. Ведь не исключено, что в природе происходят как процессы конденсации, так и процессы распада…

Не указывает ли модель, разрабатываемая Мурадяном, путь к такому объединению? Разумеется, пока еще трудно говорить о том, в какой мере своеобразная модель Мурадяна соответствует реальной действительности,— ее разработка, по существу, только начинается. Но новый подход к решению космогонической проблемы весьма интересен, поскольку сделана попытка объединить микроявления и процессы космического порядка.

Правда, остается все тот же вопрос о мелкомасштабных флуктуациях реликтового излучения, которые должны были бы возникнуть вследствие образования протоскоплений галактик. Почему они не обнаруживаются? Но, может быть, плоские адроны взаимодействовали с фотонами реликтового излучения каким-то особым образом? Во всяком случае, теоретикам придется еще поломать голову над этой проблемой.

Как известно, одним из важных критериев справедливости той или иной теоретической модели служит ее способность предсказывать определенные явления. Если гипотеза Мурадяна верна и Метагалактика действительно возникла в результате распада суперадрона, то она должна обладать собственным вращением. Так что открытие вращения Метагалактики явилось бы, если и не подтверждением модели Мурадяна, то, во всяком случае, важным свидетельством в ее пользу.

Правда, иногда можно услышать, что вообще любые космогонические модели, в том числе и гипотеза Мурадяна, не заслуживают особого доверия, поскольку они будто бы являются чисто умозрительными и не могут быть проверены наблюдениями.

Однако подобный упрек совершенно не заслужен — современная космогония стоит на прочной наблюдательной основе. Все более совершенные и мощные средства астрономических исследований позволяют изучать все более удаленные космические объекты. Как было отмечено выше, чем дальше расположен от нас тот или иной космический объект, тем в более глубоком прошлом мы его наблюдаем. Благодаря этому мы, можно сказать, непосредственно своими собственными глазами способны наблюдать события давным-давно минувших времен. А это означает, что вопрос о соответствии тех или иных космогонических моделей реальной действительности в принципе может быть решен наблюдательным путем.

Автор: В. Комаров.