Развитие взглядов на эволюцию Вселенной. Концепция большого взрыва. Реликтовое излучение и первичный нуклеосинтез

Вселе́нная — фундаментальное понятие астрономии, строго не определяемое, включает в себя весь окружающий мир^[1][2][3]. На практике под Вселенной часто понимают часть материального мира, доступную изучению естественнонаучными методами^[4].

Вселенная напоминает надувной шарик, на котором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианы для определения положения точек; но в случае Вселенной для определения положения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. Чтобы оценить полное количество в-ва во Вселенной, нужно просто подсчитать все галактики вокруг нас. Поступая таким образом, мы получим в-ва меньше, чем необходимо, чтобы, согласно Эйнштейну, замкнуть «воздушный шарик» Вселенной. Существует теория, что во Вселенной имеется не только в-во в виде галактик, но и невидимое в-во в количестве, необходимом, чтобы Вселенная была замкнута; полемика по этому поводу до сих пор не затихает. Спустя миллиард лет после «большого взрыва» началось образование галактик. К этому моменту вещ-во уже успело охладиться и стали появляться стабильные флуктуации плотности среди облаков газа, равномерно заполнявших космос. Локальное увеличение плотности в-ва оказывается стабильным, если плотность достаточно велика, так как в этом случае создаётся локальное гравитационное поле, способствующее сохранению в-ва в сжатом виде. Продолжая сжиматься и теряя при этом энергию на излучение, уплотнившееся в-во в результате своей эволюции превращалось в современные галактики.

Первичный (космологический) нуклеосинтез. Нуклеосинтез –синтез нуклонов (объединение протонов и нейтронов в составные ядра атомов). Он протекает с участием ядерных сил, радиус действия кот не превышает 10-13 см. Для сближения нуклонов на такие расстояния необходимо по крайней мере выполнение двух условий: свободные нуклоны должны обладать энергией, позволяющей им сблизится до указанных расстояний; их энергия при этом не должна превышать энергии связи нуклонов в ядре, иначе объединение не сможет устойчиво существовать. Поэтому нуклеосинтез может протекать в интервале температур с верхней границей порядка 1 млрд. градусов. Электрические заряды протонов препятствуют их прямому объединению, для преодоления электростатического отталкивания требуются высокие энергии. В условиях же Вселенной на этапе нуклеосинтеза образование составных ядер возможно только на основе соединений протонов с нейтронами. Соединение протона с нейтроном создаёт ядро дейтерия, с двумя нейтронами – ядро трития. Это два известных изотопа водорода. Образование же ядер других эл-тов требует, казалось бы, невозможного – объединения двух и большего числа протонов. В конце 20-х годов учёные указали возможный путь нуклеосиинтеза, в его основе лежит процесс нерезонансного захвата нейтрона протоном. В таком процессе захваченный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино (бета-распад) и образуется устойчивое ядро из двух протонов, к которым присоединяется ещё один или два нейтрона, т.е. возникает ядро с атомным числом 3 или 4 одного из двух изотопов гелия. В природе переходы от простого к сложному нередко отличаются от наиболее прямых и, в нашем представлении, логичных путей. Так произошло и в случае нуклеосинтеза в ранней Вселенной. На пути его прямого развития встали эл-ты с «магическими» числами 5 и 8. дело в том, что любая комбинация протонов и нейтронов, образующая ядро с атомами 5 или 8, оказывается нежизнеспособной, она распадается быстрее, чем образуется. Тем самым цепочка присоединения нейтронов к ядру с последующим их превращением в протоны и последовательным увеличением заряда ядра на единицу обрывается в самом начале, не оставляя надежды на получение ядер с числом нуклонов, превышающим 4. этот барьер на пути нуклеосинтеза физ назвали «щелью массы». Таким образом, нуклеосинтез в начальной фазе развития Вселенной не мог образовать наблюдаемого в сегодняшней Вселенной разнообразия химич эл-тов, поэтому его назвали первичным нуклеосинтезом.

Реликтовое излучение.. Делая выводы из теории горячей Вселенной, приходим к тому, что темп-ра в-ва была велика и падала с расширением Вселенной. Теория предсказывала, что в-во, из которого формировались первые звёзды и галактики, должно состоять в основном из водорода (75%) и гелия (25%), примесь других химич эл-тов незначительна. Другой вывод теории – в сегодняшней Вселенной должно существовать слабое электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности и высокой темп-ры в-ва. Такое излучение в ходе расширения Вселенной было названо реликтовым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохранило «память» о структуре барионного в-ва в момент разделения (барионное в-во – ничтожная часть Вселенной, её основными компонентами были фотоны (69% по эквивалентной массе) и нейтрино (31%)). В наши дни темп-ра реликтового излучения составляет примерно 3,0 К, что соответствует равновесному излучению абсолютно чёрного тела на длинах волн в области примерно от 10 до 0,05 см с максимумом на длине волны около 0,1 см. Изучение пр-венного распределения реликтового излучения даёт важную информацию о заключительной фазе начального периода развития мироздания. В частности, оно подтверждает, что к моменту протекания рекомбинации барионное в-во во Вселенной распределялось исключительно однородно и изотропно.