Современная космология, по вполне понятным причинам, — один из самых привлекательных для широкой публики разделов современной физики. Язык космологов необычайно выразителен: раздувающаяся Вселенная, червоточины пространства-времени, черные дыры, темная материя, красные и коричневые карлики и так далее. Отчасти по этой причине американский научный журналист Джон Хорган определяет космологию как науку, «которую нельзя эмпирически протестировать или решить ее задачи в принципе». По его словам, цель космологов — «держать нас в благоговении перед тайной космоса».
Не стоит, однако, забывать, что все революции в космологии связаны с появлением новой наблюдательной информации. Так, специалист в области истории науки и техники, профессор Орхусского университета в Дании Хелге Краг считает, что история космологии свидетельствует об исключительно важной роли инструментов в развитии фундаментальной науки. Например, без радиотелескопа (массовое использование которого в астрономии началось после Второй мировой войны) не было бы сделано одно из важнейших открытий двадцатого столетия — открытие реликтового излучения.
Активное изменение образа Вселенной произошло после того, как астрономы, получив в свое распоряжение рентгеновские и инфракрасные телескопы, «вышли» за пределы видимого спектра. Исключительное значение имела также информация, которой они стали располагать после начала работы первых орбитальных телескопов. А большим событием последних лет стал для космологов запуск зондов, изучающих флуктуации реликтового фона. Речь идет в первую очередь об исследовательском зонде космического фона COBE (Cosmic Background Explorer) и зонде микроволновой анизотропии имени Вилкинсона WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).
Информация, полученная с этих зондов, позволила установить анизотропию реликтового излучения и измерить флуктуации его температуры в зависимости от направления. Что, в свою очередь, дало возможность уточнить численное значение одного из важнейших космологических параметров — отношения средней плотности числа барионов к средней плотности числа фотонов (барионы — одно из семейств элементарных частиц, в которое входят, в частности, протоны и нейтроны). Фактически же мы имеем дело с отношением плотности вещества к плотности излучения.
Количество барионов, приходящихся на один фотон, было для ранней Вселенной весьма важным параметром, влияющим на процесс образования ядер изотопов легких элементов: водорода, гелия, лития и бериллия. Начавшийся через секунду после Большого Взрыва, этот процесс закончился на 200-й (!) секунде и известен как нуклеосинтез Большого Взрыва. Элементы же тяжелее лития образовались в ходе термоядерных реакций в звездах. При этом существенным для дальнейшего рассказа является тот факт, что во Вселенной литий в основном представлен изотопом Li-7; другой изотоп лития — Li-6 — присутствует в космосе лишь в незначительных количествах.
До запуска зондов COBE и WMAP информация об уровне присутствия во Вселенной легких элементов как раз и позволяла оценить количество барионов, приходящихся на один фотон. После анализа поступившей с зондов информации ситуация сменилась на противоположную: измеренное с помощью зондов соотношение между барионами и фотонами позволило скорректировать теорию нуклеосинтеза Большого Взрыва — а следовательно, изменить представления о том, как распространены во Вселенной легкие элементы.
По современным расчетам, на миллион атомов водорода во Вселенной должно приходиться приблизительно 80 000 атомов He-4, 10 атомов дейтерия и изотопа водорода H-3, а также одна десятитысячная атома изотопа Li-7.
По словам Гэри Стеймана из Университета штата Огайо, зафиксированный в настоящее время уровень присутствия в космосе атомов дейтерия и гелия более-менее соответствует теории нуклеосинтеза. Иначе обстоит дело с литием: теория нуклеосинтеза предсказывает в три раза большее количество изотопа Li-7 во Вселенной, нежели следует из наблюдений. А два года назад Мартин Асплунд из Астрофизического института Макса Планка (Германия), исследовав химический состав 24 звезд, пришел к выводу, что изотопа Li-6 в них содержится в 1000 раз больше, чем предсказывает теория нуклеосинтеза. Вполне естественно, что космологи весьма серьезно отнеслись к «литиевой проблеме»: согласие между теорией нуклеосинтеза и данными о распространенности легких элементов считалось важнейшим аргументом в пользу нарисованной космологами картины эволюции Вселенной. И соответственно в пользу самой теории нуклеосинтеза. «Если проблема с литием действительно существует, а астрофизикам так и не удастся ее объяснить, то ситуацию следует признать весьма печальной» — эти слова Гэри Стеймана приводит журнал New Scientist.
В то же время далеко не все считают «литиевую проблему» поводом для пересмотра теории нуклеосинтеза. Эксперты напоминают: основная часть ядер лития возникла не в первые минуты существования Вселенной; эти ядра стали формироваться значительно позже, в процессе звездной эволюции и в ходе столкновений между частицами космических лучей и частицами межзвездного газа.
Анализируя литиевую проблему, следует прежде всего проверить наблюдения самого Асплунда, у которого, кстати, на анализ собственных данных ушло целых пять лет. Одна из причин этого была в плохой видимости некоторых спектральных линий: линия Li-6 в звездных спектрах перекрывалась линией Li-7, превышавшей ее по интенсивности в 20 раз. Как сказал корреспонденту New Scientist Роберт Кайрел из Парижской обсерватории, адекватного решения проблемы Li-6 в настоящее время не существует. Кайрел, сомневаясь в результатах Асплунда, вместе с несколькими коллегами выполнил в 2007 году независимое исследование спектра одиночной звезды. В то же время, как сообщает New Scientist, Асплунд и сам перепроверяет полученные им результаты. Недавно, используя телескоп обсерватории Keck на Гавайях, он исследовал химический состав еще 10 звезд; предварительные результаты позволяют предполагать даже больший избыток Li-6, нежели представлялось ранее.
Хотя реальность «литиевой проблемы» и остается под вопросом, физики-теоретики активно ее обсуждают. Работающий в Оксфордском университете космолог Джозеф Силк не сомневается, что именно в поисках решения «проблемы лития» появится новая теория элементарных частиц. Как сказал Силк корреспонденту журнала New Scientist, «я не могу поверить, что эта проблема связана исключительно с физикой звезд». По мнению многих теоретиков, решение «литиевой проблемы» следует искать с помощью теории суперсимметрии. Ее сторонники предлагают, как известно, отказаться от принятой в физике элементарных частиц Стандартной модели, а одной из главных идей теории суперсимметрии является идея о существовании у всех элементарных частиц массивных «частиц-партнеров».
Эта теория, по мнению ее сторонников, позволяет снять с повестки дня и проблему недостаточного количества атомов Li-7, и проблему избыточного количества атомов Li-6. Теоретик Максим Поспелов из Perimeter Institute in Waterloo (Онтарио, Канада), решение «проблемы лития» связывает с гипотезой о существовании стаусов (staus) — тяжелых партнеров тау-лептонов. Расчеты Поспелова показывают, что стаусы — если допустить, что они существуют — будут образовывать связанные состояния с ядрами Be-7. Этот факт весьма важен, поскольку теория нуклеосинтеза объясняет появление лития соединением ядра Be-7 с нейтроном, в результате чего возникают ядра изотопа Li-7 и рождаются протоны. Если же Be-7 будет образовывать связанные состояния со стаусами, то в этом состоянии он, согласно расчетам, будет захватывать протоны. Образующееся в результате этого гибридное состояние ядра Be-8 и стауса должно распасться на два ядра He-4. А это, в свою очередь, означает, что теория супер-симметрии не предсказывает те процессы нуклеосинтеза, которые и приводят к появлению во Вселенной атомов лития.
Другое «суперсимметричное» решение «проблемы лития» предлагает физик-теоретик Карстен Джедамзик из французского университета Montpellier. Его расчеты показывают, что теорией суперсимметрии допускается существенно более раннее — по сравнению с теорией нуклеосинтеза — образование ядер Li-7. В это случае ядра Li-7 имеют шанс быстро разрушиться, поскольку температура Вселенной тем выше, чем меньше ее возраст.
При всем этом мы не должны забывать, что для самой теории супер-симметрии экспериментальные подтверждения на данный момент отсутствуют. Это обстоятельство специально подчеркивает Андреас Корн, считающий более правдоподобными такие объяснения «проблемы лития», которые основаны на анализе происходящего в недрах звезд. В целом же «проблема лития» ставит перед космологией проблему выбора: либо признать, что уровень собственного понимания физики звезд явно недостаточен, либо отказаться от Стандартной модели. Пока же космологи ожидают начала активных исследований на Большом Адронном Коллайдере и соответственно подтверждения (или опровержения) теории супер-симметрии. Все происходящее отлично иллюстрирует идеи профессора Хелге Крага и его слова о той роли, которую «инструментальная техника сыграла в формировании наших представлений о Вселенной в целом». Источник: inauka.ru.
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Чтобы писать комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
» Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации. Зарегистрируйтесь на портале чтобы оставлять комментарии
Материалы предназначены только для ознакомления и обсуждения. Все права на публикации принадлежат их авторам и первоисточникам. Администрация сайта может не разделять мнения авторов и не несет ответственность за авторские материалы и перепечатку с других сайтов. Ресурс может содержать материалы 16+
