Черные дыры и вселенная - Игорь Новиков

Именно поэтому зарегистрировать такие частицы чрезвычайно трудно. Только в 1956 году они были непосредственно обнаружены по ядерным превращениям, ими вызываемым.

Дальнейшие исследования показали, что нейтрино (вместе с его античастицей — антинейтрино. Мы не делаем в нашем рассказе разницы между ними, называя их единым термином нейтрино) бывают, по крайней мере, трех сортов — электронные, мюонные и тау-нейтрино. Каждый сорт участвует только в определенных, специфических для него реакциях.

Не станем перечислять здесь другие удивительные особенности нейтрино. Отметим только, что своеобразие их свойств было настолько загадочным, что, с одной стороны, физики только удивленно разводили руками, не в силах понять глубинные причины этого своеобразия, а с другой стороны, они почти с мистическим благоговением верили (точнее, это подсказывала им научная интуиция), что столь странная частица должна играть особую роль во Вселенной. Вот, что говорили известные физики около двух десятилетий назад.

Д. Уилер, бывший президент Американского физического общества: «В настоящее время нет никакого объяснения тому, почему нейтринные взаимодействия так слабы по сравнению с электромагнитными взаимодействиями и почему они так сильны по сравнению с гравитационными».

Любопытно, что только одна эта фраза выделена Д. Уилером в отдельную главу (!) его работы «Нейтрино, гравитация и геометрия». Для сравнения укажем, что, например, первая глава этой работы содержит более ста страниц со сложнейшими формулами.

Академик М. Марков, внесший большой вклад в развитие нейтринной физики: «Современнику трудно гадать, какое истинное место займет нейтрино в физике будущего. Но свойства этой частицы столь элементарны и своеобразны, что естественно думать, что природа создала нейтрино с какими-то глубокими, пока для нас не всегда ясными „целями“».

Несколько дальше мы увидим, что это за «цели».

Открытия последнего времени, о которых пойдет речь, заставляют с еще большим вниманием отнестись к нейтрино и по-новому оценить сочетание трех великих сущностей — гравитации, нейтрино и Вселенной.

Если гравитация — главная сила, управляющая движением материи во Вселенной, то нейтрино согласно последним данным, по-видимому, главная частица Вселенной. Именно о нем, о нейтрино, нужно думать прежде всего, когда мы пытаемся понять, что есть Вселенная.

Свойства Вселенной

Из предыдущих глав читатель уже знает некоторые важнейшие свойства окружающего нас макромира, надежно установленные наукой. Приведем здесь еще раз некоторые из этих бесспорных фактов, необходимых для нашего обсуждения.

Прежде всего мы помним, что расширение Вселенной начиналось со сверхплотного состояния и вещество тогда было чрезвычайно горячим. От этой эпохи осталось остывшее реликтовое излучение.

Далее, надежно установлено, что в масштабах миллиардов световых лет нет заметных неоднородностей в распределении плотности вещества в пространстве, нет сверхсверхскоплений галактик. Это значит, что в таких больших масштабах нет отдельных структурных единиц Вселенной. Этот факт особенно надежно установлен по наблюдению реликтового излучения; если бы существовали неоднородности с размерами порядка миллиарда световых лет или более, то с разных направлений на небе реликтовое электромагнитное излучение приходило бы к нам с разной интенсивностью. Дело в том, что повышенная плотность ведет к повышенному полю тяготения. Фотоны реликтового излучения, выходя из этого поля тяготения, тратят дополнительную энергию, то есть «краснеют», и значит, излучение с этих направлений имеет чуть меньшую интенсивность. А такого различия интенсивности реликтового излучения не наблюдается, и, следовательно, иерархическая лестница структуры Вселенной не простирается в бесконечность. То есть в очень больших масштабах, начиная с участков размером примерно в сотни миллионов световых лет, Вселенная однородна.

Напомним еще, что наблюдения выявили характерные особенности крупнейших структурных единиц Вселенной — сверхскопления галактик. Оказалось, что в таких образованиях галактики и их скопления сосредоточены в тонких слоях, образующих стенки ячеек, внутренность которых практически пуста. Можно сказать, что распределение галактик во Вселенной напоминает пчелиные соты. В ребрах «сот» плотность галактик особенно велика.

Итак, некоторые важные факты строения и эволюции Вселенной установлены надежно: это расширение Вселенной, ее первоначальное горячее состояние и нынешняя ячеистая структура.

Нерешенные проблемы

Среди этих проблем непременно придется назвать механизмы возникновения структуры Вселенной.

Как, когда и почему возникла нынешняя структура Вселенной? Почему крупнейшие структурные единицы Вселенной — крупные скопления галактик и сверхскопления — имеют именно такие, а не другие масштабы и форму? Последние пятнадцать лет астрофизики-теоретики в содружестве с наблюдателями пытались ответить на эти вопросы, но до последнего времени нельзя было сказать, что главные этапы процесса образования галактик и их скоплений выяснены.

Дело в том, что нечто очень важное оставалось неизвестным. Подозрение о том, что в наших знаниях о Вселенной есть какой-то существенный пробел, зародилось сравнительно давно, еще тогда, когда в астрофизике возникла так называемая проблема скрытой массы, о которой мы говорили в одной из предыдущих глав.

Напомним, что эта проблема была четко сформулирована в начале 70-х годов и состоит она в следующем. Движение галактик в их скоплениях происходит таким образом, что приходится предполагать наличие в пространстве между галактиками какой-то невидимой массы. Она своим тяготением влияет на движущиеся объекты, но больше никак себя не проявляет. Такая же невидимая масса окружает, вероятно, и большие галактики, о чем можно судить по движению карликовых галактик и других объектов вокруг них. Эта невидимая масса и получила название труднонаблюдаемой, или скрытой, массы, и о природе ее практически ничего не было известно. Наблюдения показывали, что скрытой массы в областях скопления галактик, должно быть раз в 20 больше, чем видимой массы, сосредоточенной в самих галактиках. Если масса всех галактик в типичном их скоплении составляет около 3 · 1013 масс Солнца, то масса невидимой материи оказывается около 1015 масс Солнца. Некоторые специалисты считали, правда, что наблюдения, в которых проявляется тяготение скрытой массы, недостаточно надежны, и споры вокруг этого вопроса то утихали, то разгорались вновь вплоть до самого последнего времени.

Нейтрино во Вселенной

Теперь мы возвращаемся к главному герою нашего повествования — к нейтрино. К сказанному в начале главы добавим следующее. До последнего времени считалось общепринятым, что нейтрино не имеют массы покоя и, подобно фотону, всегда движутся со скоростью света.

Давно и внимательно изучались процессы, в которых участвуют нейтрино и которые могут играть важную роль в астрофизике.

Было, в частности, установлено, что нейтрино в просторах Вселенной очень много, почти столь же много, как и реликтовых электромагнитных квантов — реликтовых фотонов. Как мы видели в предыдущей главе, дело в том, что нейтрино, как и фотоны, должны остаться во Вселенной с того начального периода расширения, когда горячее плотное вещество имело очень высокую температуру и было непрозрачным не только для света, но и для нейтрино. Тогда происходили быстрые реакции превращения друг в друга нейтрино, электронов, электромагнитных квантов и других элементарных частиц. Эти процессы могут быть надежно рассчитаны методами современной физики, и результаты расчетов показывают, что после первых десятков секунд с начала расширения Вселенной фотонов в единице объема было примерно втрое больше, чем нейтрино (вместе с антинейтрино).

Это отношение для реликтовых фотонов и нейтрино остается практически неизменным и во время последующей эволюции Вселенной, вплоть до наших дней. Мы не можем сегодня каким-либо прямым способом регистрировать реликтовые нейтрино, так как уж очень мала их энергия: при нулевой массе покоя нейтрино его энергия составляет около 5 · 10–4 электронвольт (эВ). Однако астрофизики могут предсказать, сколько их должно быть. Как уже отмечалось, в каждом кубическом сантиметре содержится около 500 реликтовых фотонов. Реликтовых нейтрино должно быть втрое меньше, то есть около 150 частиц в кубическом сантиметре.

Напомним также, что каждый реликтовый фотон имеет энергию и соответствующую массу 10–36 грамма, и, таким образом, плотность массы реликтового электромагнитного излучения составляет около 5 · 10–34 г/см3. Это примерно в 2000 раз меньше, чем средняя плотность обычного вещества во Вселенной.