Горячей Вселенной теория

ГОРЯЧЕЙ ВСЕЛЕННОЙ ТЕОРИЯ, теория физических процессов в расширяющейся Вселенной, согласно которой в прошлом Вселенная имела значительно большую, чем сейчас, плотность вещества и очень высокую температуру. Первоначально горячей Вселенной теория была предложена Г. Гамовым (1948) для объяснения распространённости в природе различных химических элементов и их изотопов.

В 1950-х годах Т. Хаяси (Япония), Э. Ферми и А. Туркевич (США) показали, что попытки объяснить существующую распространённость всех элементов их синтезом в самом начале расширения Вселенной были несостоятельными. Если строго следовать горячей Вселенной теории, то в результате ядерных реакций в начале расширения образуются только водород и гелий, примесь других лёгких элементов незначительна, а тяжёлые элементы практически совсем не образуются. Однако с открытием, что время расширения Вселенной превышает 10 миллиардов лет, стало возможным объяснить распространённость тяжёлых элементов их нуклеосинтезом в звёздах.

В начале расширения Вселенной при большой температуре в термодинамическом равновесии с веществом должно было находиться электромагнитное излучение. В ходе расширения вещество и излучение остывают, и к настоящему времени во Вселенной должно существовать низкотемпературное излучение (его называют микроволновым фоновым излучением или реликтовым излучением), для которого вещество сегодняшней Вселенной практически прозрачно. Существование во Вселенной такого излучения, имеющего температуру всего несколько кельвинов, было предсказано Г. Гамовым (1956).

В 1964 году российские астрофизики А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков впервые рассчитали широкий спектр плотности электромагнитного излучения от всех источников в эволюционирующей Вселенной (включая радиогалактики и звёзды) и показали, что в области сантиметровых и миллиметровых волн интенсивность реликтового излучения с температурой около 1 К и выше будет на много порядков превосходить излучение отдельных источников и оно может быть обнаружено. Реликтовое излучение (РИ) было открыто А. Пензиасом и Р. Вильсоном в 1964-65 на длине волны 7,3 см. Обнаружение РИ стало решающим тестом, подтвердившим справедливость гипотезы о высокой изначальной температуре Вселенной. Тщательные последующие наблюдения показали, что РИ действительно является равновесным, как предсказывает теория, и имеет температуру 2,73 К.

В начале расширения Вселенной при очень большой температуре происходят ядерные реакции, приводящие к образованию гелия. За первые 5 минут образовалось примерно 25% гелия (по массе), 75% вещества осталось в виде водорода. Примесь других элементов пренебрежимо мала. Вещество с таким составом позже образует небесные тела, в частности звёзды первого поколения (смотри Эволюция звёзд). После первых 5 минут все ядерные реакции во Вселенной прекращаются. Вещество продолжает расширяться и остывать.

Спустя примерно 300 тысяч лет вещество (плазма) остывает до температуры около 4000 К, электроны объединяются с протонами и плазма превращается в нейтральный газ (процесс рекомбинации). Этот газ прозрачен для реликтовых фотонов, давление РИ не влияет на состояние газа. Наблюдая РИ сегодня, мы видим эту эпоху. По очень малым вариациям интенсивности РИ в зависимости от направления можно судить о малых вариациях плотности материи в ту эпоху и исследовать процессы, происходившие в то время. С момента рекомбинации под действием гравитационных сил в веществе начинается рост отдельных уплотнений (смотри Гравитационная неустойчивость), из которых затем образуются небесные тела - формируется структура Вселенной (смотри Космология, Крупномасштабная структура Вселенной).

Наблюдения показывают, что в современной Вселенной помимо обычного вещества имеется гораздо большее количество так называемой тёмной энергии (около 73% всей массы) и тёмной материи (около 23%). Природа этих составляющих пока неизвестна.

Важные, пока ещё не совсем ясные процессы протекали вблизи сингулярного состояния материи в самом начале расширения (при плотностях, близких к так называемой планковской плотности, порядка 10⁹⁴ г/см³). Здесь при очень больших энергиях частиц объединялись, по-видимому, все виды физических взаимодействий, квантовые процессы были существенны в масштабах всей Вселенной.

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. М., 1975; Вайнберг С. За рубежом первых трех минут // Успехи физических наук. 1981. Т. 134. Вып. 2; Насельский П. Д., Новиков Д. И., Новиков И. Д. Реликтовое излучение Вселенной. М., 2003.