Дополнение 7. О концентрации и плотности

НЕЙТРИНО ВО ВСЕЛЕННОЙ

 

При высокой температуре, выше 1010 К, нейтрино находятся в термодинамическом равновесии с электронами, позитронами и фотонами. Равновесная концентрация нейтрино убывает с понижением температуры пропорционально кубу температуры. Этот закон убывания такой же, как и у фотонов, так как нейтрино либо вовсе не имеют массы покоя, как фотоны, либо масса их мала по сравнению с энергией при высокой температуре. Поэтому соотношение между числом нейтрино и фотонов в этот период не зависит от силы взаимодействия и, таким образом, неверно, что нейтрино сохраняются вследствие того, что они слабо взаимодействуют и сечение их аннигиляции мало. Если бы нейтрино взаимодействовали сильнее (что в действительности имеет место при температуре выше 1010 К), то аннигиляция нейтрино и антинейтрино с превращением их, например, в фотоны происходила бы чаще. Однако одновременно усилился бы и обратный процесс превращения фотонов в пары нейтрино и антинейтрино. Концентрация нейтрино в термодинамическом равновесии, приблизительно равная концентрации фотонов, при этом не изменилась бы. Имея в виду, что позже, после аннигиляции электронов и позитронов, температура нейтрино на самом деле будет даже несколько ниже температуры излучения, усиление взаимодействия привело бы даже к некоторому увеличению концентрации нейтрино за счет уменьшения концентрации фотонов. Сказанное выше относится к нейтрино, относительно которых предполагается, что масса покоя равна нулю, скорость равна скорости света и энергия равна импульсу, умноженному на скорость света. Термодинамические свойства таких безмассовых нейтрино мало отличаются от свойств фотонов.

Современная теория не исключает возможного существования тяжелых нейтрино с отличной от нуля массой покоя. Надо сказать, что из лабораторных опытов определить массы нейтрино удается с трудом и неточно. До недавнего времени, до 1980 года, известны были лишь верхние пределы массы нейтрино различного типа. Лабораторные опыты по распаду трития давали для массы покоя электронного нейтрино верхний предел mс2 < 60 или 40 эВ, т. е. m < 10-4 mе ~ 10-31 г. Для мюонных нейтрино можно утверждать только, что их масса покоя меньше 2 миллионов электронвольт, т. е. меньше учетверенной массы электрона. Недавно (Перл, 1975 год) открыта заряженная тау-частица, тяжелый аналог электрона и мюона. Масса тау-частицы около 1800 миллионов электрон-вольт, т. е. она почти вдвое тяжелее протона. Естественно полагать, что при распаде этой заряженной частицы образуются соответствующие ей тау-нейтрино. Лабораторные опыты не исключают того, что масса покоя тау-нейтрино отлична от нуля, и дают только, что эта масса меньше 500 миллионов электронвольт.

С.С. Герштейн и Я.Б. Зельдович (1966 год) показали, что космологические соображения ограничивают массу покоя электронного и мюонного нейтрино значением меньше 100–200 эВ. Последующие авторы уточняли эти соображения и утверждали, что масса нейтрино меньше 10 эВ. К тем же выводам для тау-нейтрино пришли независимо Бенжамен Ли и Вайнберг в США и М.И. Высоцкий, А.Д. Долгов и Я.Б. Зельдович в СССР.

В последнее время в Москве, в Институте теоретической и экспериментальной физики В.А. Любимов, Е.Г. Новиков, В.З. Нозик, Е.Ф. Третьяков и В.С. Козик провели новое более точное исследование распада трития и пришли к выводу, что электронное нейтрино с большой вероятностью имеет массу покоя в пределах между 15 и 45 эВ. За рубежом появились указания на так называемые нейтринные осцилляции, т. е. на взаимные превращения электронных нейтрино в мюонные и тау-нейтрино во время пролета нейтрино от источника (ядерного реактора или ускорителя) до мишени, т. е. детектора. Такие осцилляции интересны для астрономии сами по себе, так как они объясняют дефицит солнечных нейтрино в соответствии с идеей, давно высказанной Б.М. Понтекорво. Но эти осцилляции важны еще и потому, что они были бы невозможны, если бы все нейтрино имели нулевую массу покоя.

Наличие у нейтрино небольшой массы покоя, скажем, между 5 и 50 эВ, имеет огромное значение для космологии. Процессы при высокой температуре, в течение тех «первых минут», которым посвящена книга Вайнберга, практически не изменяются, поскольку энергия покоя нейтрино мала по сравнению с температурой (см. выше в этом дополнении). Однако еще до рекомбинации водорода (происходящей при температуре 3000 К = 0,3 эВ) тепловая энергия становится меньше массы покоя нейтрино. В термодинамическом равновесии нейтрино и антинейтрино должны были бы аннигилировать, превращаясь в фотоны. Однако вероятность такого процесса при температуре ниже 1010 К ничтожна, аннигиляция нейтрино практически не имеет места.

К сегодняшнему дню Вселенная пришла с неизменным соотношением между концентрацией фотонов (~400 штук в 1 см3) и концентрацией нейтрино (около 360 штук нейтрино и антинейтрино всех трех сортов в 1 см3).

Средняя энергия одного фотона при температуре 2,7 или З К около 0,001 эВ, что соответствует массе 2 × 10-36 г; плотность фотонного газа составляет при этом около 10-33 г/см3.

Плотность же нейтринного газа при средней массе покоя 10 эВ для нейтрино всех видов равна 10-29 г/см3. Это в 10 000 раз больше плотности излучения! Плотность излучения в настоящее время мала по сравнению с плотностью обычного вещества, т. е. барионов (~ 10-30 — 10-31 г/см3), и мала по сравнению с критической плотностью (5 × 10-30 — 10-29 г/см3). Но плотность нейтрино, если они обладают массой покоя порядка 10 эВ, оказывается очень большой! Возникает принципиально новая картина Вселенной, в которой главную часть плотности составляет плотность нейтрино.

Более того, не исключено, что именно за счет плотности нейтрино мир оказывается замкнутым, а не открытым. Напомним, что при плотности, превышающей критическую, общая теория относительности предсказывает: 1) что кривизна пространства соответствует замкнутому миру без границ, но с конечным полным объемом, наподобие поверхности шара; 2) что наблюдаемое в настоящее время расширение Вселенной через некоторое время, порядка 10 миллиардов лет, сменится неограниченным сжатием. Произойдет ли это? Ответ на этот вопрос зависит от результатов очень трудных опытов по определению массы нейтрино.

Во Вселенной с тяжелыми нейтрино рост возмущений плотности также происходит совершенно иначе: сперва возникают и усиливаются возмущения плотности нейтрино (это первыми отметили в 1975 году венгерские физики Маркс и Салаи) и лишь позднее, после рекомбинации водорода, к ним подстраиваются возмущения плотности нейтрального газа. В частности, образование скоплений галактик оказывается возможным совместить с малой амплитудой возмущений микроволнового излучения. Эта картина развивается в нескольких заметках Я.Б. Зельдовича, Р.А. Сюняева, А.Г. Дорошкевича и М.Ю. Хлопова в «Письмах в Астрономический журнал» (август 1980 года).

Есть указания, что масса гигантских скоплений галактик больше суммы масс галактик, входящих в эти скопления. Наиболее убедительные данные по проблеме скрытой массы дал эстонский астроном Эйнасто. Возможно, что скрытая масса представляет собой облако тяжелых нейтрино, в которое погружены галактики.

В настоящее время (декабрь 1980 года) мир с нетерпением ожидает новых экспериментальных данных по массам нейтрино различных сортов.

Наконец, возникает естественный вопрос — ограничивается ли число сортов нейтрино тремя (соответствующим электрону, мюону и тау-лептону). В.Ф. Шварцман (СССР, 1969 год) показал, что слишком большое число сортов нейтрино изменило бы результаты нуклеосинтеза, так что космология позволяет высказать суждение о частицах, еще не открытых в лаборатории, позволяет бороться с демографическим взрывом среди частиц. Эти соображения уточняли американские астрофизики. Сейчас считается, что число сортов нейтрино не превышает 4–6.

 

ДОПОЛНЕНИЕ 8. НАЧАЛЬНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ

И ПЕРВИЧНЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

 

В настоящее время Вселенная с хорошей точностью однородна в большом масштабе. Но определенные отклонения от однородности в масштабе, соответствующем скоплениям галактик, т. е. порядка 10 — 100 мегапарсек, несомненно имели место, иначе не могла бы возникнуть наблюдаемая структура Вселенной.

Амплитуду этих возмущений в начальном состоянии при большом сжатии можно характеризовать безразмерной величиной — локальным отклонением метрики пространства от метрики однородного пространства. На классическом языке можно говорить о возмущении ньютонового гравитационного потенциала, причем за единицу принят квадрат скорости света. Раньше предполагалось, что безразмерное возмущение имеет порядок 10-3. Если у нейтрино масса покоя около 10 эВ, то для образования структуры Вселенной достаточно, чтобы начальные возмущения были порядка 10-5 в безразмерных единицах.

При этом астрономические наблюдения дают сведения о возмущениях в указанном выше большом масштабе и на начальном этапе эволюции; отдельные галактики, облака газа и звезды в галактиках появились позже! Они возникли при дроблении возмущений плотности большого масштаба и не характеризуют начальные малые возмущения метрики.

Наиболее вероятной представляется картина, в которой возмущения во всех масштабах имеют одинаковый порядок величины (около 10-5 в безразмерных единицах). Начальные возмущения определенного масштаба, порядка 10 — 100 мегапарсек, оказываются при этом единственно важными для сегодняшней картины Вселенной в силу физических законов развития возмущений во время эволюции от начального до сегодняшнего состояния.

В принципе, однако, эти же законы не исключают возможности больших отклонений от однородности в малом масштабе, например в масштабе, который сегодня равен одному парсеку, или 3 × 1018 см. В ходе расширения длина волны возмущения также растет; эта длина волны была меньше 3 × 1015 см в момент рекомбинации (температура 3000 К), 3 × 1012 см в момент, когда температура равнялась 3 × 106 К, и т. д. В частности, при красном смещении z = 1011, температуре порядка 3 × 1011 К и плотности 5 × 1011 г/см3 в момент t = 10-3 с длина волны такого возмущения имела порядок 3 × 107 см, т. е. примерно равнялась произведению скорости света на время, истекшее с момента начала расширения. В период между t = 10-3 с и моментом рекомбинации возмущение плотности с такой длиной волны превратится в акустическую волну, которая вскоре затухает под действием вязкости, не оставляя следа ни в распределении вещества, ни в спектре излучения. Точно так же сгладятся и возмущения в распределении нейтрино и вещества. Таков вывод, который можно сделать из теории возмущений малой амплитуды, наложенных на фридмановское решение.

Однако, если амплитуда возмущения велика, то возможен и другой вариант развития событий. Я.Б. Зельдович и И.Д. Новиков (1967 год) отметили, что большой избыток плотности в какой-то области может остановить расширение. В этой области оно сменится сжатием и образуется черная дыра, которая уже не выпустит находящиеся внутри нее вещество и излучение. Получающееся тело было названо первичной черной дырой в отличие от тех черных дыр, которые образуются в настоящее время или образовались в недалеком прошлом в результате эволюции звезд или звездных скоплений.

Так как и в книге, и в наших дополнениях уже употреблялся термин «черная дыра», скажем несколько слов о том, что это такое. Основной идеей общей теории относительности является связь между полем тяготения и геометрией пространства-времени. Вблизи массивного тела кривизна пространства, характеризующая отличие его свойств от свойств евклидова пространства, становится более заметной, чем вдали от него. Если данную массу тела М сосредоточить в объеме с линейным размером меньше некоторого критического размера, называемого гравитационным радиусом тела, то искривление пространства, вызванное гравитационным полем тела, будет настолько велико, что ни один луч света и ни одна материальная частица не смогут вырваться за пределы тела на расстояние, большее гравитационного радиуса. На языке ньютоновой теории можно сказать, что вторая космическая скорость, т. е. начальная скорость, необходимая для ухода частицы с поверхности тела, может стать равной скорости света. Именно в такой форме существование черных дыр предсказал Лаплас 200 лет тому назад.

Конечно, предсказания Лапласа были только гениальной догадкой. При скорости, близкой к скорости света, меняются законы механики (специальная теория относительности), при большом потенциале тяготения меняются сами законы тяготения (общая теория относительности). Однако, как это ни удивительно, эти изменения компенсируют друг друга и связь массы и радиуса, при которой свет не покидает тело, дается ньютоновой формулой:

(потенциальная энергия тела единичной массы на поверхности массивного тела массы М приравнена кинетической энергии тела единичной массы, скорость которого равна скорости света).

Гравитационный радиус Rg = 2GM/c2 пропорционален массе тела М: например, для Солнца он равен 2,94 км, а для Земли 0,88 см. Подобный объект и называется черной дырой.

Из сказанного выше ясно, что внешний наблюдатель не может получить от черной дыры никакого сигнала, она как бы исчезает из пространства. Это не означает, что невозможно определить наличие черной дыры в каком-то месте пространства. Межзвездный газ, окружающий черную дыру, может втягиваться в нее силами тяготения; при этом газ, падая на дыру, ускоряется, разогревается и начинает излучать. Сильное излучение можно ожидать в том случае, если черная дыра образует двойную систему с обычной звездой. В таком случае обычная звезда поставляет тот газ, который попадает затем в поле тяготения черной дыры.

В настоящее время во всех деталях изучены аналогичные системы, состоящие из нейтронной звезды и обычной звезды. Такие системы являются источниками рентгеновского излучения. Однако в одном случае есть основания считать, что мы имеем дело именно с черной дырой, а не с нейтронной звездой. Речь идет о рентгеновском источнике в созвездии Лебедя («Лебедь Х- 1»). Анализ движения обычной звезды, находящейся рядом с рентгеновским источником, приводит к выводу, что масса рентгеновского источника около 10 солнечных масс. Нейтронная звезда не может быть такой тяжелой. Есть и другие аргументы в пользу того, что в источнике Лебедь Х-1 находится тяжелая черная дыра.

При этом предполагается, что весьма массивная черная дыра образовалась в ходе эволюции и сжатия из обычной звезды с массой около 30 солнечных масс или больше. Такие звезды (с массами до 100 масс Солнца) в небольшом числе наблюдаются в нашей Галактике. Широко распространено предположение, что в ядрах галактик и в особо ярких источниках излучения — квазарах — также находятся гигантские черные дыры. Падение вещества в гравитационном поле этих черных дыр является источником энергии. Такие черные дыры также возникли сперва из звезд, а затем увеличили свою массу захватом окружающего вещества.

Вернемся теперь к вопросу о первичных черных дырах. Такие первичные черные дыры до сих пор не наблюдались. Предположительно, первичная черная дыра образуется в тот момент, когда размер возмущенной области порядка произведения скорости света на время, прошедшее с начала расширения. Она образуется в том случае, если локальная масса в несколько раз больше средней. Ожидаемая масса черной дыры в примере, приведенном выше, равна ρ(ct) 3 = 5 × 1011(3 × 107)3 = 1033 г, т. е. порядка массы Солнца. Но масса первичной черной дыры может быть и гораздо меньше, если размер возмущения меньше и первичная черная дыра образуется раньше. В этом и заключается главное отличие предполагаемых первичных черных дыр от «вторичных», звездных: звезда малой массы вообще не превращается в черную дыру, она в конце эволюции превращается в карлик или пульсар. Масса звездной черной дыры не может быть меньше (4–6) × 1033 г (меньше двух-трех масс Солнца). Масса первичной черной дыры может быть любой малой величиной, например 1020 г, или 106 г (1 тонна), или 1 г, если образование черной дыры происходит соответственно в момент 10-18 с, или 10-32 с, или 10-38 с от начала расширения. Чем раньше образуется первичная черная дыра, тем больше плотность вещества.

В действительности, как уже сказано, ни одна первичная черная дыра не наблюдена. Значит, количество их во всяком случае невелико. Отсюда можно сделать вывод, что нет сильных возмущений, способных вызвать образование черных дыр, притом даже в малых масштабах.

В 1974 году английский теоретик Хокинг доказал, что черные дыры «испаряются», испуская частицы, энергия которых обратно пропорциональна массе черной дыры. Время полного испарения равно приблизительно 10-28 × М3 с, где М — начальная масса черной дыры в граммах. Таким образом, к настоящему времени могли бы уцелеть только сравнительно тяжелые черные дыры с массой больше 1015 г (так как время жизни Вселенной ~ 1017 с). Соображения Я.Б. Зельдовича и И.Д. Новикова о том, что первичные черные дыры практически отсутствуют, остаются справедливыми только для этих тяжелых черных дыр. Однако черные дыры с массой в интервале значений 109 < М < 1015 г, испаряясь, давали бы рентгеновские кванты и меняли бы спектр микроволнового излучения. Наблюдения показывают, что и такие черные дыры не рождались. Таким образом, могли рождаться, а затем испаряться лишь черные дыры с массой меньше 109 г. Их гравитационный радиус меньше 10-19 см, они могли бы рождаться лишь при плотности вещества больше 1067 г/см3.

Таким образом, удается сделать вывод, что даже на очень ранних стадиях Вселенная была более или менее однородна, не было сильных (по амплитуде) коротковолновых возмущений, которые могли бы рождать первичные черные дыры. Косвенно получается дополнительное подтверждение предположения о малости безразмерных возмущений во всех масштабах. Удается заглянуть в прошлое Вселенной еще глубже, чем это было возможно несколько лет назад.