НЕЙТРИНО ВО ВСЕЛЕННОЙ

Нейтрино — это элементарная частица, обладающая огромной проникающей способностью. Существование такой частицы физик В. Паули предсказал еще в 1930 году. Эта частица понадобилась ученому для того, чтобы объяснить, куда девается часть энергии при бета-распаде. Бета-частица — это электрон. Когда происходит радиоактивный распад ядер с испусканием электронов, один химический элемент превращается в другой (так, тритий превращается в гелий). Но измерения показывают, что часть энергии при этом утрачивается, не регистрируется. Эту энергию уносит нейтрино, которое очень слабо взаимодействует с веществом и поэтому остается незамеченным физическими приборами. Проникающая способность нейтрино действительно фантастична — оно пролетает сквозь Землю, Солнце и вообще сквозь любые небесные тела без каких-либо проблем. Это и хорошо и плохо. Плохо потому, что для того, чтобы изучить нейтрино, надо его поймать. А сделать это трудно. А хорошо потому, что нейтрино может принести нам информацию из самых недоступных мест, например из самой центральной области Солнца и других звезд.

Далее мы будем говорить о нейтрино вообще, хотя существует три типа разных нейтрино. Это нейтрино электронные, мюонные и тау-нейтрино. Каждый тип нейтрино участвует только в определенных, специфических для него реакциях.

Ученые изучали нейтрино многие десятилетия. Они не сомневались, что нейтрино играет очень важную роль во Вселенной. И действительно, оказалось, что нейтрино является главной частицей во Вселенной. Академик М. Марков, специалист по физике нейтрино, так писал об этой частице: «Современнику трудно гадать, какое истинное место займет нейтрино в физике будущего. Но свойства этой частицы столь элементарны и своеобразны, что естественно думать, что природа создала нейтрино с какими-то глубокими, пока для нас не всегда ясными «целями».

Вселенная имеет ячеистую структуру, похожую на пчелиные соты. Это значит, что в сверхскоплениях галактик сами галактики и их скопления сосредоточены в тонких слоях, которые образуют стенки ячеек. Внутренность ячеек практически пуста. Если сравнить эту структуру с пчелиными сотами, то можно сказать, что в ребрах этих «сот» плотность галактик особенно велика.

Наблюдения показывают, что движение галактик в их скоплениях происходит таким образом, как будто в пространстве между галактиками имеется какая-то невидимая масса. Эта масса своим тяготением оказывает влияние на движущиеся объекты. Только по этим движениям мы можем судить об этой массе. Никак иначе она себя не проявляет. Это скрытая, невидимая масса. По-видимому, она окружает и большие галактики. Об этом свидетельствует характер движения карликовых галактик, а также других объектов, находящихся вокруг них. Ученые, однако, рассчитали, что в областях скопления галактик этой скрытой массы должно быть в 20 раз больше, чем той массы, которую можно видеть, наблюдать и которая сосредоточена в самих галактиках.

Во Вселенной нейтрино остались с момента Большого Взрыва, а точнее, с того начального периода расширения, когда горячее плотное вещество имело очень высокую температуру и было непрозрачным не только для света, но и для нейтрино. Тогда происходили быстрые реакции превращения друг в друга нейтрино, электронов, электромагнитных квантов и других элементарных частиц. После первых десятков секунд с начала расширения Вселенной фотонов в единице объема было примерно втрое больше, чем нейтрино (вместе с антинейтрино). За все время эволюции Вселенной это отношение три к одному сохраняется неизменным. Оно справедливо и для настоящего времени. Фотоны, возникшие во время Большого Взрыва, регистрируются и сейчас. Это реликтовое излучение. Потоки нейтрино (реликтового нейтрино) также есть, но их измерить трудно. Правда, ученые могут уверенно предсказать, сколько должно быть реликтовых нейтрино. Расчеты показывают, что в каждом кубическом сантиметре должно быть (содержится) около 150 реликтовых нейтрино. Реликтовых фотонов в этом же объеме содержится около 500. По формуле Эйнштейна энергию можно пересчитать в массу. Оказалось, что плотность массы реликтового электромагнитного излучения примерно в 2000 раз меньше, чем средняя плотность обычного вещества во Вселенной. Это пренебрежимо мало. Средняя плотность массы реликтового нейтрино (пересчитанная из его энергии) также пренебрежимо мала.

У нейтрино кроме массы расчетной имеется и некоторая масса покоя. Она была измерена и для электронных нейтрино составляет примерно 35 эВ (электронвольт). Это значит, что электронные нейтрино, поскольку их масса покоя не равна нулю, не обязаны двигаться со скоростью света. Скорость их движения может быть меньше скорости света. Более того, они не только могут двигаться с любой скоростью, но могут вообще находиться в состоянии покоя.

Проведенные эксперименты показали, что нейтрино в 20 тысяч раз легче электрона и в 40 миллионов раз легче протона. Хотя масса покоя нейтрино и очень мала, его во Вселенной очень много. Мы говорим о реликтовых нейтрино. В кубическом сантиметре нейтрино в среднем почти в миллиард раз больше, чем протонов. По сути, нейтрино является главной составной частью массы материи во Вселенной. Расчеты показывают, что средняя плотность электронных нейтрино во Вселенной примерно в 10–30 раз больше плотности всего другого, «не нейтринного» вещества. Это значит, что в настоящее время именно тяготение нейтрино является главной действующей силой, которая определяет законы расширения Вселенной. Все остальное (кроме нейтрино) составляет только 3 — 10 % «примеси» к основной массе Вселенной — к массе нейтрино. А раз так, то мы можем утверждать, что живем в нейтринной Вселенной.

После Большого Взрыва Вселенная расширяется. Это расширение будет происходить до тех пор, пока средняя плотность во Вселенной не достигнет критического значения. Ученые считают, что критическая плотность равна 10–29 г/см3. Если не учитывать наличия нейтрино, то средняя плотность во Вселенной примерно в сто раз меньше критического значения. Но если нейтрино учесть, то она приближается к критическому пределу. Когда она его достигнет, то должно начаться сжатие Вселенной. Проследим роль нейтрино при формировании структуры Вселенной.

После Большого Взрыва в начале расширения Вселенной вещество представляло собой почти однородную расширяющуюся горячую плазму. Затем из-за гравитационной неустойчивости эта плазма стала фрагментироваться, сбиваться в комки. Это положило начало скоплениям галактик. Но во всех этих процессах надо учитывать роль нейтрино, поскольку главным действующим лицом здесь выступает сила тяготения. А сила тяготения, вызванная нейтрино, намного больше, чем сила тяготения, обусловленная всем другим, не нейтринным веществом Вселенной. Роль нейтрино в процессе фрагментации вещества Вселенной выглядит примерно так.

Вскоре после начала расширения Вселенной в распределении плотности вещества во Вселенной были случайные, очень маленькие неоднородности. В это время нейтрино имеет очень высокую энергию и проходит свободно сквозь любые сгустки вещества. Скорость нейтрино в это время приближается к скорости света. Поэтому нейтрино в определенной мере выравнивают неоднородности. При этом распределяются нейтрино более равномерно. Но это происходит только в малых пространственных масштабах в районах, сравнительно малых по линейным размерам нейтринных сгущений. Это и понятно, поскольку из сравнительно мелких сгущений нейтрино успевают вылететь и перемешаться с другими нейтрино достаточно быстро. При этом усредняются, сглаживаются все неоднородности. С течением времени все большие и большие (по размерам) неоднородности нейтрино успевают «рассосаться». Все это возможно только благодаря тому, что у нейтрино сохраняется очень большая скорость, которая близка к скорости света. Но с течением времени скорость нейтрино постепенно уменьшается. Уже примерно через 300 лет после расширения Вселенной скорость нейтрино становится значительно меньше скорости света. Поэтому нейтрино уже неспособно (ему не хватает скорости) вылетать из комков большого размера. Поэтому такие комки, плотность вещества в которых сначала только немного превышает среднюю, могут усиливаться тяготением, сгущаться и расти, пока среда не распадется на отдельные сжимающиеся облака из нейтрино.

Из сказанного выше можно заключить, что выравнивание плотности успело произойти только в участках с размерами, не превышающими 300 световых лет. В больших масштабах, то есть в нейтринных сгустках большего размера, повышенная плотность нейтрино сохранялась, поскольку нейтрино не успело из них вылететь. В последующий период скорость движения нейтрино резко падала. При этом взаимное их тяготение приводило к увеличению повышенной плотности. Затем эти сгущения дали начало нейтринным облакам. Из приведенных выше рассуждений следует, что масса этих нейтринных облаков должна определяться количеством тех нейтрино, которые находились в сфере радиусом 300 световых лет через 300 лет после начала расширения Вселенной.

Массу такого нейтринного облака можно рассчитать. Все необходимые данные для этого есть, поскольку масса покоя нейтрино определена. Такой расчет дает, что масса типичного нейтринного облака составляет 1015 солнечных масс. Специалисты утверждают на основании общефизического анализа, что каждое нейтринное облако должно приобрести не форму шара, а форму блина. Затем из таких облаков-блинов образуются соты, то есть выкристаллизовывается ячеистая структура.

Что же происходит с обычным (не нейтринным) веществом? Обычное вещество в начале расширения было распределено в пространстве почти равномерно. Масса его во много раз меньше суммарной массы нейтрино. В начальной стадии расширения Вселенной это вещество находилось в виде горячей плазмы. По прошествии трехсот тысяч лет после начала расширения обычное вещество настолько охлаждается, что из состояния плазмы оно превращается в нейтральный газ. К этому времени, спустя миллион лет после начала расширения, давление газа резко падает. Только потом холодный нейтральный газ начинает сгущаться в поле тяготения возникающих нейтринных облаков. При этом нейтральный газ стягивается к центральной части нейтринных облаков. Далее из этого сгущающегося нейтрального газа постепенно возникают скопления галактик, галактики и звезды. Значит, все выглядит так. В центре нейтринного облака-блина образуется большое скопление галактик, масса которого в 30 раз меньше массы нейтринного облака.