И.М. Капитонов - Введение в физику ядра и частиц (1120452), страница 44
Текст из файла (страница 44)
280 Левчик 16 Наряду с черными дырамв, образовавшимися при коллапсе звезд, во Вселенной могут быть черные дыры, возникшне задолго до появления первых звезд вследствие неоднородности Большого взрыва. Появившиеся при этом сгустки вещества могли сжиматься до состояния черных дыр, тогда как остальная часть вещества расширялась. Черные дыры, образовавшвеся на самом раннем этапе Вселенной, называют реливозоеыми.
Предполагают, что размер некоторых из ннх может быть значителъно меньше размера протона. Прагой тип черных дыр — сеералассиеаые черные дыры (10 -МэМв), которые могут возникать в центре галактик и звездных скоплений. В 1983г. были открыты кваэарм— компактные внегалактические источники радио-, оптического и рензтеновского излучения огромной мощности. Их светимость 10ы-10ез зрг/с. Столь мощное излучение может быть обеспечено сверхмассивными черными дырами. В 1974 г.
Хокинг показал, что черные дыры должны испускать частицы. Источником эткх частнц является процесс образования виртуальных пар частица-античастица в вакууме. В обычных полях эти пары аннигилируют столь быстро, что их не удается наблюдать. Однако в очень сильных полях виртуальные частица и античастица могут раэдеииться и стать реальными.
На границе черной дыры действуют мощные приливные силы. Под действием этих сил некоторые из частиц (античастиц), входивших в состав внртуалъных пар, могут вылететь за пределы черной дыры. Так как многие из вих затем аннигилируют, черная дыра должна становитъся источником излучения. Черная дыра излучает как черное тело с температурой Ть тем большей, чем меньше ее масса Мь: Ть в 10 ~(Мй/Мь) К. Энергия, излучаемая в пространство черной дырой, поступает из ее недр. Поэтому в процессе такого испускания частиц, масса и размеры черной дыры должны уменьшаться, а температура— расти. Таков механизм «испарения» черной дыры. Оценки показывают, что темп «испарения» очень медленный.
Черная дыра с массой 10Мй испарится за 10ез лет. Время испарения сверхмассивных (миллиарды масс Солнца) черных дыр, которые могут быть в центре больших галактик, может составлять 10эе лет. Конечный этап испарения должен протекать как мощная вспышка 7-излучения (длительностью ~е 0.1 с для Мъ в 10э г). 281 2. Конечные этапы эволюции Вселенной Соотношение между плотностью вещества р и критической плотностью тт, определяет судьбу Вселенной. Если р < ра, то Вселенная будет расширяться все время, ее обьем будет возрастать неограниченно.
Такую Вселенную называют отюсрытлоб. Если р > ра, то гравитационное притяжение будет замедлять расширение н оно в конпе концов прекратится, сменившись постепенно ускоряющимся сжатием. Размеры Вселенной в этом случае будут конечными. Такую Вселенную называют закрытлоб (рис, 15.3).
Бстъ вой настоящий автма момент Рмс. 15.3 Мы знаем, что средняя плотность Вселенной определена с 10% точностью н совпадает с критической цлотвостью 10 зэ г/смз. Таким образом, ваша Вселенная (в рамках остающейся неопределенности наблюдений) может считаться открытой. Для дальнейшего уточнения необходимы новые данные о темной материи, на долю которой приходится 98% плотности Вселенной. Папомним, что такой ненаблюдаемой небарионной материей могут быть, например, гипотетические нейтрино илн неизвестные слабо взаимодействующие массивные частицы, предсказываемые суперсимметричными версиями Стандартной модели. Однако ббльшую часть темной материи составляет вакуум — необычная субстанция, заполняющая пространство.
Природа этого нового «эфира» еще во многом не ясна и рассмотрение теоретических разработок, посвященных этому, выходит за рамки данной книги. Отметим лишь, что физический вакуум принципиально отличается от эфира науки проштез .ззо 282 Ленчик 15 лых столетий, которому приписывалась роль переносчика света и электромагнитных взащищействий. Вакуум, обладая некоторыми свойствами обычной материелъвой среды, тем ве менее не создает связанной с ним выделенной системы отсчета, не мешает движению тел и распространению полей через заполненное им пространство, т.е.
не производит эфирного ветра. Реальная плотность вещества Вселенной р определяет геометрию пространства — ее кривизну С (или радиус кривизны Ь = ~/1/С). Общая теория относительности дает для радиуса кривизны следующую формулу: с р, Х=— Н~р-р.' (16.3) Юд — и С= —, Яд (16.4) где дд — сумма углов треугольника, Яд — его площадь (Яд-~ О). где с — скорость света, Н вЂ” постоянная Хаббла. Если р = р„ то Ь = оо, а С = О.
Пространство в этом случае плоское, а геометрия такого пространства евклидова. Если р > рз, кривизна пространства положительна и радиус криввзвы Ь конечен. При р < р~, радиус кривизны Ь тоже конечен (и мнимый), а кривизна С отрицательна, Наглядно представить «кривое» (неевклидово) трехмерное пространство невозможно, поэтому приходится для пилю«трении обращаться к двумерным объектам †. поверхностям. Евклидова геометрия в двумерном варианте отвечает плоскости.
Кратчайшими (т.е. геодезическими) ливиями на плоскости являются прямые, а сумма углов треугольника, образуемого геодезическими линиями на шюскости, строго равна 1г (180'). Пусть теперь двумерной поверхностью будет сфера (рис. 16.4, а). Геодезическими (кратчайшими) линвямв на сфере являются дуги больших кругов (меридианов). Очевидно, сумма углов треугольника, образованного иа сфере тремя такими дугами, будет больше з (следствие выпуклости сферы). На седлообраэвой (вогнутой) ловерявости (рис.
16.4, б) сумма углов треуголъвика будет меньше и. Чисто геометрически кривизну в данной точке поверхности шгрекеляют следукипим образом: 283 пе Р У Р * л= Л7с= ~В,Д3 — ~.сееческая (выпуклая) поверхность имеет положительную кривизну, седлообразная (вогнутая) — отрицательную, а плоская — нулевую. Рис. 15.4 Данные наблюдекий свидетельствуют, что наша Вселенная плоская (евклидова). Однако, если наш мир и неевклидов, то в среднем чрезвычайно мало от него отличается. Пусть, например, его плотность р = 2р„тогда из (15.3) имеем Ь сз 3 10епо из сз 10ез км. Очевидно чпочувствовать» столь ничтожную искривлевность Вселенной в целом невозможно (локальная искривлен- ность вблизи, например, черной дыры может быть большой).
Если Вселенная положительно искривлена, т. е. является закрытой, то ее ждет остановка расширения и сжатие в тоеку (рис. 15.3). Что последует за этим? Может быть новый Большой взрыв, Таким образом, закрытая Вселенная возможно явчяется циклической (или пульсирующей) — рис. 15.5. Рис. 16.З. Модель цииличесиой Вселеииой 284 Лекчия 16 Даже если наша Вселенная закрытая, то (учитывая, что никаких признаков быстрого замедления нет) до начала ее сжатия по мевъшей мере десятки миллиардов лет. Рассмотрим, что произойдет со Вселенной, если она плоская, т, е. открытая. Этот вариант вам должен быть наиболее интересен, поскольку наша Вселенная плоская или очень мало от таковой отличается.
Сначала погаснут звезды. 'Гак Солнце через б млрд лет превратится в белый карлик. Вше раньше погаснут более массивные звезды, превратившись в нейтронные звезды и черные дыры. Звезды менее массивные, чем Солнпе, проживут дольше. Процесс образования новых звезд происходит и в каше время. Однако наступит эпоха> когда новые звезды не будут рождатъся. Запасы ядерной материи, из которой может возникнуть звезда, будут исчерпаны. Звездный этап Вселенной завершится через 10ы лет. Через 10'з-10'э лет прекратят свое существование галактики.
Около 90% звездной материи галактик будет рассеяно в межгалактическом пространстве, а около 10% будет затянуто в черные дътры. Последние также будут сливаться н, в конце концов, на месте каждой галактики останется одна сверхмассивная черная дыра. Рассеяннэл в пространстве ядерная материя исчезнет за счет распада внутриядервых вуклонов, вызванного переносчиками сил Великого объединения — бозонами Х и У (Лекция 13). Этот процесс закончится через 10»з-10»з лет. Продуктами распада нуклонов являются электроны, позитроны, фотоны и нейтрино. Из-за крайней разреженности вещества к этому моменту электроны и позитроны не будут авннгилировать. В конце концов из «тяжельпс» объектов во Вселенной останутся только сверхмассявные галактические черные дыры.
Они будут объедннятъся, образуя еше более массввные супергалактические черные дыры. И, нахонец, сами эти черные дыры будут испаряться. Этот процесс крайне медленный и завершится через 10'залет. При этом во Вселенной останется, главным образом, сильно разреженный газ электронов, позитронов, фотоноэ и нейтрино — лептонлая пустыня, изредка «тревожимая» холодными фотонами.
285 3. Космические лучи Космические лучи (излучение) — это частицы, заполняющие межзвездное пространство и постоянно бомбардирующие Землю. Они открыты в 1912 г. австрийским физиком Гессом с помощью ионнзационной камеры на воздушном шаре.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
