Еволюція Всесвіту

Сьогодні ми вже знаємо, що Всесвіт не завжди був таким, як в нашу епоху. Вважається, що п’ятнадцять — вісімнадцять мільярдів років тому не було ні зірок, ні галактик, ні планет, ні туманностей, а лише суперщільний згусток розпеченої плазми. Розширення цього згустку і всілякі перетворення, що відбувалися потім з його речовиною, і привели до утворення всіх тих найрізноманітніших об’єктів, які складають сучасний Всесвіт.

Вісімнадцять мільярдів років! Термін еволюції Всесвіту настільки тривалий, що його важко навіть собі уявити. Він не йде ні в яке порівняння не тільки з масштабами людського життя, але навіть з тривалістю існування всього людства. І, тим не менш, сучасне природознавство наполегливо прагне проникнути в минуле. Тих відомостей, якими наука вже володіє, цілком достатньо для того, щоб будувати всілякі теоретичні моделі.

Загадка далекого минулого

Судячи з усього, розширення Всесвіту почалося з майже однорідного стану. Виникає питання: як іонізована плазма, що розширювалася, розпалася на окремі об’єкти?

Зокрема, як утворилися галактики — зоряні острови Всесвіту? Це одна з центральних проблем сучасної астрофізики. Є ряд гіпотез, але жодній з них поки не можна віддати перевагу.

Взагалі ж в сучасній астрофізиці існують дві концепції формування космічних об’єктів (вони ж теорії еволюції Всесвіту). Згідно з однією з них, найбільш поширеною — її зазвичай називають класичною,— космічні об’єкти, в тому числі зірки і галактики формуються шляхом згущення, конденсації дифузної матерії — пилу.

Передбачається, що через кілька сотень тисяч років після початку розширення виникли неоднорідності середовища, первинні обурення щільності, які потім, розвиваючись тим чи іншим шляхом, перетворилися на скупчення галактик. Фактично це була перша стадія еволюції Всесвіту.

Одна з оригінальних моделей такого роду розробляється групою теоретиків під керівництвом вченого академіка Я. Б. Зельдовича. В основу цієї моделі покладено розрахунки, які показують, що первинні неоднорідності середовища з досить великою ймовірністю повинні поступово трансформуватися в плоскі утворення дещо зігнутої форми. Вчені назвали їх «млинцями».

У гіпотезах інших авторів розглядається варіант, в якому однією з вихідних стадій формування галактик є утворення сферично симетричних згущень.

Досліджуються і різні фізичні механізми, з допомогою яких первинних зародків — неоднорідностей середовища можуть формуватися галактики різних типів: еліптичні, спіральні, неправильної форми.

Чи можна, хоча б якоюсь мірою, перевірити обґрунтованість подібних теоретичних побудов спостереженнями?

Тут-то на допомогу астрофізикам і має прийти реліктове випромінювання. Зокрема, це випромінювання може повідомити нам про те, чи було середовище у відповідну епоху однорідним або в ньому були будь-які неоднорідності або згущення.

В даний час Всесвіт для квантів реліктового випромінювання абсолютно прозорий. Вони рухаються, практично не відчуваючи поглинання. Однак у минулому, коли всі масштаби були приблизно в 1000 разів менше, Всесвіт був для реліктового випромінювання абсолютно непрозорим. Завдяки цьому, спостерігаючи реліктове випромінювання, відповідне зазначеній епосі, ми як би «натикаємося» на стінку «непрозорості». І якщо плазма в той час була абсолютно однорідною (без грудочок), ми повинні отримувати однакову інформацію про неї з усіх напрямків. Як кажуть астрофізики, реліктове випромінювання повинно бути в цьому випадку ізотропним.

Але якщо будь-які неоднорідності все ж існували, то реліктове випромінювання не може бути абсолютно ізотропним, в ньому повинні спостерігатися певні коливання – флуктуації, величину яких можна оцінити, виходячи з сучасних розмірів скупчень галактик.

Щоб виявити подібні дрібномасштабні флуктуації з допомогою великих радіотелескопів, проводилися вимірювання інтенсивності реліктового випромінювання від точки до точки. Однак ніяких флуктуацій виявити не вдалося. Проте, зберігалася надія, що з подальшим збільшенням точності і чутливості апаратури вони все ж будуть зареєстровані.

І ось доктор фізико-математичних наук Ю. І. Парійський на новому радіотелескопі «РАТАН-600» отримав результат, що викликав хвилювання серед теоретиків. Згідно з його вимірами, дрібномасштабні флуктуації яскравості реліктового випромінювання відсутні з точністю, що перевищує можливі масштаби таких флуктуацій, передбачених існуючими гіпотезами формування галактик неоднорідностей середовища. Мабуть, не міняє справи і гіпотеза утворення галактик з так званих «фотонних вихорів», так як в цьому випадку флуктуації реліктового випромінювання були б ще більш помітними. Зрозуміло, потрібні подальші спостереження, оскільки вимірювання дрібномасштабних флуктуацій реліктового випромінювання пов’язані з великими труднощами, викликаними необхідністю відбудови від всіляких радіошумів.

Правда, теоретики і в існуючій ситуації знаходять вихід із становища. При деяких припущеннях можна показати, що відсутність дрібномасштабних флуктуацій реліктового випромінювання в межах точності сучасних спостережень ще не говорить про неможливість утворення галактик з первинних згущень речовини. Однак подібні розрахунки завжди супроводжуються значними невизначеностями.

У всякому разі, ті дані про реліктове випромінювання, якими ми сьогодні володіємо, – це свого роду сигнал. Він цілком може означати, що галактики утворилися не з неоднорідностей середовища, а якимись зовсім іншими шляхами. Один з таких можливих шляхів досліджує школа вченого академіка В. А. Амбарцумяна, що отримала назву бюраканської. Концепція цієї школи базується на тому, що еволюція космічних об’єктів йде від більш щільних станів до менш щільних.

«Зародками» зірок і галактик є гіпотетичні надщільні об’єкти досить малих розмірів, вибуховий розпад яких і веде до утворення різних небесних тіл.

В даний час між прихильниками обох напрямків ведеться дискусія, і віддати якомусь з них остаточну перевагу поки не представляється можливим. Це пояснюється, з одного боку, недоліком спостережних даних, а з іншого — можливістю різного, іноді прямо протилежного тлумачення одних і тих же фактів.

Зокрема, одним з основних заперечень, висунутих прихильниками класичного напрямку проти гіпотези надгустих тіл, є посилання на те, що подібні тіла ніколи не спостерігалися. А про їх фізичну природу не тільки нічого не відомо, але і не існує ніяких скільки-небудь обґрунтованих теоретичних припущень.

Галактики з адронів

В останні роки багато пишеться і йдеться про глибокий взаємозв’язок між мікропроцесами і явищами космічного порядку і про необхідність розробки такої теорії, яка об’єднала б ці явища.

Виникає й таке питання: чи не можна з допомогою рівнянь загальної теорії відносності пояснити деякі властивості елементарних частинок, а властивості елементарних частинок у свою чергу використовувати для з’ясування фізичної суті тих чи інших явищ космічного порядку, зокрема закономірностей еволюції Всесвіту.

Відомо, що всі елементарні частинки можна розділити на три класи: перший включає в себе фотон, другий — електрон і нейтрино, третій клас — адрони, найчисленніший, зараз їх відомо кілька сотень. До нього, зокрема, відносяться протон, нейтрон і мезони.

Не виключена можливість, що в цьому класі є частинки з досить великими, може бути навіть і космічними, масами. Сучасна теорія подібну можливість допускає…

Такі ті вихідні позиції, звідки бере старт нова гіпотеза. А ось її головна ідея: чи не є гіпотетичні надщільні тіла академіка Амбарцумяна адронною формою існування матерії? Виявилося, що ця вельми несподівана ідея обіцяє деякі можливості побудови єдиної теорії утворення космічних об’єктів.

Всі космічні тіла обертаються. Власне обертання — це така ж «вроджена» їх властивість, як і наявність деякої маси. І в цьому відношенні вони в якійсь мірі подібні елементарним часткам, що також володіють власним обертанням. З цим обертанням пов’язана одна з важливих характеристик елементарних частинок, так званий спін. Його аналогом для звичайних обертових тіл є момент кількості руху.

У теорії сильних взаємодій є якась формула, що визначає величину спіна елементарної частинки. З неї випливає, що в залежності від форми частки (тобто від того, чи є вона «плоскою» або «сферичною») її спін зі збільшенням маси може зростати або в ступені 3/2 (в «плоскому» випадку), або в ступені 4/3 (в «сферичному» випадку).

Р. Мурадян вирішив простежити, як пов’язані з масами моменти кількості руху космічних об’єктів: астероїдів, планет, зірок, галактик, скупчень галактик. Ці моменти можуть бути визначені з астрономічних спостережень.

І тут виявилася цікава закономірність. Виявилося, що якщо величини моментів різних космічних об’єктів нанести на графік, то вони «вкладуться» на двох різних прямих лініях: на одній — моменти астероїдів, планет, окремих зірок і зоряних скупчень, на іншій — галактик та їх скупчень. Але, мабуть, найдивовижніше полягає в тому, що перша пряма відповідає, як у адронів, степеневій залежності 4/3, а друга – 3/2.

Що стосується Метагалактики, то її можливе власне обертання поки не встановлено. Проте, логічно припустити, що оскільки і галактики і скупчення галактик володіють власним обертанням, то повинна обертатися і Метагалактика, а її момент кількості руху також повинен відповідати ступеневому закону – 3/2.

Виходячи з цих фактів, Р. Мурадян спробував встановити більш тісну аналогію між властивостями космічних об’єктів і властивостями адронів. Згідно з висунутою ним гіпотезою, Метагалактика утворилася в результаті розпаду надважкого суперадрона з масою 10⁵⁶ грамів. Це і був той “першоатом” , той надщільний згусток, який дав початок спостережуваному Всесвіту. Його розпад на більш дрібні адрони привів до утворення протонакопичень галактик, а наступні розпади на адрони ще меншої маси — до утворення галактик. Наступним етапом був розпад на адрони з масами меншими 10³⁴ грамів. Подальші розпади, на думку Мурадяна, повинні були призвести до утворення дифузної хмари з певним хімічним складом, в якій в результаті згущення утворюються протозірки, і так далі за звичайною «класичною» схемою.

Які ж фізичні явища і перетворення ховаються за всіма цими розпадами та перетвореннями?

Відомо, що існують дві форми матерії – адронна та ядерна. Як вже було сказано вище, вихідним об’єктом для утворення Метагалактики в цьому випадку є надважкий суперадрон. Моменти подібних частинок пов’язані з їх масами законом 3/2, іншими словами, суперадрони — двомірні, плоскі утворення.

Однак в ланцюзі їх послідовних розпадів настає момент своєрідного перетворення, так званого фазового переходу адронної форми в ядерну. Це відбувається тоді, коли в результаті розпадів починають виникати об’єкти з масами близько 10³³ грамів і менше. При такому переході кварки перегруповуються по три, утворюючи звичайні частинки, в основному протони і нейтрони. У виникаючих при цьому об’єктів моменти пов’язані з масами законом 4/3. Отже, подібні об’єкти є вже не плоскими, а сферичними. За своїм фізичним станом ці об’єкти типу нейтронних зірок, однак, з величезними моментами. Їх розпад і призводить до утворення дифузних хмар, з яких в подальшому можуть формуватися зірки…

Однак на відміну від звичайної класичної картини ці хмари не воднево-гелієві, вони можуть мати різний хімічний склад, залежить від динаміки розпаду. Отже, важкі хімічні елементи у Всесвіті можуть, за Мурадяном, виникати не тільки за рахунок вибухів наднових зірок, як прийнято вважати в класичній астрофізиці, але і в результаті ділення ще більш важких частинок.

Таким чином, якщо, відповідно до класичного варіанту еволюції Всесвіту, еволюційний процес йде від об’єктів більш розріджених до менш розріджених і від «безладу» до «порядку», то в моделі Мурадяна на досить значному інтервалі існування Метагалактики еволюція, навпаки, йде від об’єктів більш щільних до менш щільних і від більш упорядкованих до менш впорядкованих.

Неважко бачити, що в цій своїй частині еволюційна схема Мурадяна добре узгоджується з ідеями В. А. Амбарцумяна. Однак з моменту фазового переходу від адронної матерії до ядерної вона ближче до класичної космогонії.

Якось астрофізик професор Б. А. Воронцов-Вельямінов висловив думку про те, чи не упускається за гостротою дискусії між прихильниками двох космогонічних концепцій можливість їх розумного поєднання. Адже не виключено, що в природі відбуваються як процеси конденсації, так і процеси розпаду…

Чи не вказує модель, що розробляється Мурадяном, шлях до такого об’єднання? Зрозуміло, поки ще важко говорити про те, якою мірою своєрідна модель Мурадяна відповідає реальній дійсності, її розробка, по суті, тільки починається. Але новий підхід до вирішення космогонічної проблеми досить цікавий, оскільки зроблена спроба об’єднати мікроявища та процеси космічного порядку.

Правда, залишається все те ж питання про дрібномасштабні флуктуації реліктового випромінювання, які повинні були б виникнути внаслідок утворення протонакопичень галактик. Чому вони не виявляються? Але, можливо, плоскі адрони взаємодіяли з фотонами реліктового випромінювання якимось особливим чином? У всякому разі, теоретикам доведеться ще поламати голову над цією проблемою.

Як відомо, одним з важливих критеріїв справедливості тієї чи іншої теоретичної моделі є її здатність передбачати певні явища. Якщо гіпотеза Мурадяна вірна і Метагалактика дійсно виникла в результаті розпаду суперадрона, то вона повинна володіти власним обертанням. Так що відкриття обертання Метагалактики стало б, якщо і не підтвердженням моделі Мурадяна, то, у всякому разі, важливим свідченням на її користь.

Щоправда, іноді можна почути, що взагалі будь-які космогонічні моделі, в тому числі і гіпотеза Мурадяна, не заслуговують особливої довіри, оскільки вони нібито є суто умоглядними і не можуть бути перевірені спостереженнями.

Однак подібний докір абсолютно не заслужений – сучасна космогонія стоїть на міцній спостережній основі. Все більш досконалі і потужні засоби астрономічних досліджень дозволяють вивчати все більш віддалені космічні об’єкти. Як було зазначено вище, чим далі розташований від нас той чи інший космічний об’єкт, тим в більш глибокому минулому ми його спостерігаємо. Завдяки цьому ми, можна сказати, безпосередньо на власні очі здатні спостерігати події давним-давно минулих часів. А це означає, що питання про відповідність тих чи інших космогонічних моделей реальної дійсності в принципі може бути вирішене спостережним шляхом.

Автор: В. Комаров.