Первые три минуты

ДОПОЛНЕНИЕ 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ВЕЩЕСТВА

Автор правильно отмечает, что при температуре выше 3000 К атомы диссоциированы и имеет место рассеяние фотонов свободными электронами. Однако не совсем точно высказывание относительно того, что это рассеяние поддерживает тепловое равновесие между веществом и излучением.

Дело в том, что в процессе рассеяния на движущихся электронах фотоны меняют направление и энергию. Однако число фотонов при этом, как правило, не меняется. Таким образом, рассеяние перераспределяет фотоны по спектру в соответствии с температурой электронов, но оставляет постоянным общее число фотонов в единице объема.

Для установления полного термодинамического равновесия обязательно должны происходить процессы поглощения и испускания фотонов. Благодаря этим процессам и устанавливается при каждой температуре определенное число фотонов каждой энергии и определенное общее число фотонов в единице объема.

Но свободный электрон не может поглотить или испустить фотон. Этот процесс происходит лишь в тот момент, когда электрон пролетает мимо ядра. Если при этом испускается фотон, то электрон теряет часть энергии и тормозится, летит дальше с меньшей энергией. Поэтому говорят о «тормозном» излучении.

Плотность плазмы (т. е. вещества во Вселенной до рекомбинации) очень мала, поэтому установление полного термодинамического равновесия происходит только тогда, когда температура плазмы выше 30 000 000 К и, соответственно, плотность плазмы выше, чем при рекомбинации (при 3000 К), в 10 ¹²раз. В последнее время итальянец Децотти и советский астрофизик Р.А. Сюняев отметили, что при рассеянии, хотя и редко, число фотонов может изменяться: иногда один фотон, падая на электрон, вызывает появление двух фотонов после рассеяния (так называемый двойной комптон-эффект). Иногда происходит и обратный процесс. В связи с этим примерно в 10 раз снижается температура, при которой имеет место установление термодинамического равновесия. После этого спектр излучения остается равновесным, планковским, с температурой, понижающейся в ходе общего расширения.

Однако это справедливо лишь в случае идеального равномерного расширения, без каких-либо возмущений. Если при температуре ниже 30 000 000 К в плазме выделяется энергия, то теория предсказывает своеобразный спектр, отличающийся от планковского. Теория этого явления разработана Р.А. Сюняевым и автором дополнения. Некоторое искажение спектра, особенно в его коротковолновой части, возможно и за счет дополнительного излучения межзвездного газа и пыли на поздней стадии в очень далеких галактиках. При большом их числе и малом угловом расстоянии между ними такое излучение трудно отличить от первичного реликтового излучения. В настоящее время активно ведется изучение спектра, но еще нельзя сказать с определенностью, есть ли отклонения от формулы Планка (в пределах, не превышающих 20 %).

ДОПОЛНЕНИЕ 4. МАЛЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ РАВНОМЕРНОСТИ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Существование в настоящее время определенной структуры и неравномерного распределения вещества в пространстве (существование скоплений галактик) свидетельствует о возмущениях строгой модели, построенной А.А.Фридманом. Эти возмущения должны сопровождаться и возмущениями равномерности излучения. Возмущения эти могут быть сравнительно малыми, так же, как и начальная неоднородность плотности вещества в момент, когда вещество и излучение разделились. В дальнейшем неоднородность плотности вещества возрастала вследствие гравитационной неустойчивости, а неоднородность излучения уменьшалась при рассеянии излучения и за счет усреднения температуры по лучу зрения.

Поэтому качественно можно понять тот факт, что в настоящее время возмущения плотности вещества весьма велики, а возмущения излучения малы. До настоящего времени возмущения излучения еще не наблюдены — различие температуры в направлениях, отстоящих друг от друга на несколько угловых минут, меньше погрешности аппаратуры, т. е. меньше, чем несколько сотых долей процента.

Теория нуклеосинтеза предсказывает определенную связь между содержанием дейтерия и плотностью вещества. Измеренное содержание дейтерия указывает на малую плотность вещества, меньше 5 процентов критической плотности. При этой малой плотности рост возмущений идет медленно. В настоящее время следствия, вытекающие из наблюденного содержания дейтерия, считают убедительными, в отличие от того, что пишет Вайнберг.

Необходимы дальнейшие более точные опыты и развитие теории для того, чтобы количественно разобраться в теории образования структуры галактик.

В последнее время многие астрофизики, в том числе и редактор этой книги, отмечают, что без учета массы покоя нейтрино (см. подробнее ниже, в дополнении 7) трудно согласовать значительную неоднородность в распределении плотности вещества и малую плотность вещества с малостью возмущений микроволнового излучения.