Знание-сила, 1998 № 07 (853)

Когда со времени Большого Взрыва прошло уже несколько минут, температура упала до одного миллиарда градусов. Теперь протоны и нейтроны двигались уже настолько медленно, что могли слипаться друг с другом. Каждый нейтрон находил себе свободный протон и, объединяясь с ним ядерными силами, создавал «дейтрон», или ядро атома дейтерия (именно ядро, а не атом, поскольку электроны при такой температуре еще не могли устойчиво связываться с ядрами: энергия их электрического притяжения была меньше энергии хаотического теплового движения). Почти все такие дейтроны тут же слипались по двое, образуя ядра гелия. К тому времени, когда это превращен и е завершилось, плотность вещества во Вселенной оказалась такой малой, что никакие другие реакции уже идти не могли: более тяжелые ядра не возникали, и почти все нейтроны остались в составе первичного гелия. Каждый из них был связан там со своим протоном; но так как изначально протонов было в семь раз больше, чем нейтронов, то лишь один из каждых семи протонов нашел себе нейтронного партнера. Шесть седьмых всех протонов остались в одиночестве и со временем образовали атомы водорода. Эта эволюция привела к тому, что около четверти всей обычной массы Вселенной оказалось в состоянии гелия, а три четверти — в виде водорода (приходится оговариваться: именно «обычной массы», так как сегодня считают, что во Вселенной существует еще некое особое «темное вещество», о составе и законах возникновения которого наука пока ничего толком не знает). А поскольку водород — это главное топливо звездных термоядерных реакций, то именно это его преобладание в природе как раз и обеспечило нас звездным (и солнечным) светом, а также всеми более тяжелыми элементами, которые возникли уже позже в недрах водородно-гелиевых звезд.

Как показывает теория, в результате всех этих первичных процессов во Вселенной осталось крайне мало свободных дейтронов, не слипшихся в ядра гелия, — примерно один на каждые десять тысяч. еще меньшее их количество успело слиться в чуть более тяжелые, чем у гелия, ядра лития. Это привело к определенному соотношению количества гелия, дейтерия и лития в первичной Вселенной. Согласно теории, это количество зависело только от одной характеристики начальной Вселенной — отношения числа «барионов» в ней (то есть всех протонов и нейтронов вместе) к числу фотонов (квантов электромагнитного излучения, или, проще, света), наполнявших тогдашнее пространство космоса. Это отношение, как утверждает теории, установилось уже на первых этапах эволюции Вселенной и затем уже практически не менялось; оно составляет примерно одну миллиардную (один барион на каждый миллиард фотонов, что дает представление о том, насколько разреженной — в смысле вещества — была, да и осталась Вселенная). Количество фотонов в нынешней Вселенной можно измерить непосредственно — это около 411 «штук» на каждый кубический сантиметр пространства. Выходит, барионов должно быть в миллиард раз меньше — около 0,4 бариона на каждый кубометр космоса. Впрочем, все эти подсчеты являются качественными и варьируют в довольно широких пределах — от вдесятеро больших до вдесятеро меньших.

Но даже эти качественные оценки не позволяют установить, сколько дейтерия было в первичной Вселенной. Вообще говоря, этот дейтерий мог оказаться как в составе звезд, так и в межзвездном пространстве. Однако внутри звезд он непрерывно перерабатывался в более сложные элементы, а так как это происходило в течение миллионов лет, то сегодня «внутризвездного» дейтерия давно уже нет. Весь дейтерий, сохранившийся в природе, — это тот, который остался в межзвездном пространстве, причем остался почти со времен Большого Взрыва, с момента своего образования. Ясно, что сохранившегося дейтерия меньше, чем первоначального (ведь какая-то его часть, как уже говорилось, сгорела в недрах звезд), и поэтому измерения нынешней концентрации дейтерия и водорода не позволяют рассчитать, какова была их относительная концентрация на старте Вселенной.

Эту концентрацию можно, однако, измерить непосредственно. Для этого нужно лишь заглянуть в далекое прошлое Вселенной. Машины времени у исследователей, разумеется, нет, но ее эквивалент известен им давно. В расширяющейся Вселенной эквивалентом времени является расстояние. Чем дальше успели разбежаться галактики и другие космические образования, тем раньше, стало быть, они возникли, а это означает, что чем датьше некий наблюдаемый астрономами объект, тем он древнее. Свет от так называемых квазаров (во многом еще загадочных гигантских квазизвездных — отсюда название — объектов на окраинах видимой Вселенной) идет к нам почти 9-10 миллиардов лет; значит, эти квазары находятся на расстоянии 9—10 миллиардов световых лет от нас, то есть это одни из самых ранних материальных образований, возникших в природе.