Гравитация и космология. Принципы и приложения общей теории относительности - Вейнберг С.
Скачать (прямая ссылка):
Например, если бы температура фона на этих длинах волн, полученная из первых наблюдений на ракетах [127, 128] и шарах-зондах [131], соответствовала действительности, то рентгеновское излучение Центавр А было бы более чем на порядок интенсивнее наблюдаемого. Однако изложенное здесь объяснение рентгеновского источника Центавр А пока еще вызывает сомнения.
В. При соударении под углом 0 частицы с массой т, и с импульсом р и фотона с энергией w полная энергия в системе центра масс равна
Е\ = (w + (р2 + яг2)1/2)2 — {р1 + 2pw cos 0 + w2) =
= 2w l(p2 + тп?)1'2 - р cos 0] + m2. (15.5.42)
Чтобы сечение рассеяния нуклона на фотоне было первого, а не второго порядка по a = V137, необходимо, чтобы энергия Ec была больше порога mN + пгп для процесса у -ф- N —>- я + N:
(.р2 + m2)'/2_ р cos Є> m^+^m- ~ i^pL.
Таким образом, следует ожидать резкого обрезания [176—178] энергетического спектра протонов космических лучей при
P mNmn q л (-V2O
uP, макс ^ о /^/O-AU d-D.
(Последние данные по фотонуклонным сечениям см. в [179].) Эта величина как раз совпадает с верхним пределом энергии космических лучей, наблюдаемым в настоящее время. Аналогично для космических фотонов процесс рождения пары приводит ¦566
Гл. 15. Космология; эталонная модель
к резкому спаду в спектре [180, 181] в области у-лучей с (Ec) ^ ^ 2т,,, т. е. при энергии
F ~ 2me2 ^ Л Ql5 р.
^c, макс о ~ dJJ-
Эти ограничения справедливы только в предположении, что космические лучи протонов и фотонов высоких энергий возникают вне пределов Галактики.
Все же пока нельзя утверждать с полной уверенностью, что наблюдаемый микроволновый фон действительно представляет собой излучение черного тела, оставшееся от ранней эры в эволюции Вселенной. Ясно, однако, что такая точка зрения обоснована достаточно хорошо, чтобы оправдать серьезное изучение выводов относительно ранней Вселенной, к которым она приводит. Теперь мы перейдем к рассмотрению этих выводов.
§ 6. Температурная история ранней Вселенной
Плотность энергии микроволнового фона при 2,7 К равна P70 = аТ%о = 3,97-IO"13 эрг/см3 = 4,40-IO"34 г/см3. (15.6.1)
Как уже было отмечено в § 2 этой главы, эта величина меньше, чем современная плотность масс покоя нуклонов, так что мы живем в эру преобладания вещества, которая составляет большую часть истории Вселенной. Эта эра подробно обсуждалась в § 3 гл. 15.
Теперь мы обратим наше внимание на более ранний период, когда излучение и релятивистские частицы играли большую роль, чем обычное вещество. Чтобы нить изложения не терялась за деталями вычислений, полезно сначала обрисовать принятую в настоящее время общую картину ранней истории Вселенной, а затем перейти к подробным вычислениям, подтверждающим эту картину. Обычно считается, что история Вселенной выглядит в общих чертах примерно так (фиг. 15.5):
А. На очень ранней стадии, когда температура T выше IO12 К, Вселенная содержит большое разнообразие частиц: фотонов, леп-тонов, мезонов, нуклонов и их античастиц, находившихся в тепловом равновесии. Сильные взаимодействия между мезонами и нуклонами делают эту эру весьма трудной для изучения; она кратко обсуждается в § 11 этой главы.
Б. Во время, когда T »IO12 К, Вселенная содержит фотоны, мюоны и ацтимюоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино. Кроме того, имеется небольшая нуклонная примесь из одинакового числа протонов и нейтронов. Все эти частицы находятся в тепловом равновесии. § 6. Температурная история ранней Вселенной
567
ю"к
V. Va. Va. V11' I п....................
ю'°к
IO9K
IO8H
IO
100
1000
0,1
Фиг. 15.5. Температурная история ранней Вселенной.
Здесь T — температура v — — плазмы и Tv — температура Ve, Ve, Vjx, Vjx, находящихся в состоянии свободного расширения.
В. Когда температура падает ниже IO12 К, начинают аннигилировать и [х-. После исчезновения почти всех мюонов при T «1,3 -IO11 К нейтрино и антинейтрино перестают взаимодействовать с другими частицами, а в тепловом равновесии с температурой T ~ R-1 остаются е±, у и небольшое количество нуклонов-(Электронные нейтрино могли оставаться в равновесии с остальными частицами несколько дольше, но это не приводит к каким-либо особенностям.)
Г. При падении температуры ниже IO11 К (t « 0,01 с) в малой примеси нуклонов из-за разности масс протона и нейтрона начинается сдвиг в сторону увеличения числа протонов и уменьшения числа нейтронов.
Д. Когда температура падает ниже 5 -IO9 К (t « 4 с), начинают аннигилировать электрон-позитронные пары; доминирующими составляющими Вселенной остаются лишь фотоны, нейтрино и антинейтрино, которые находятся, по существу, в состоянии свободного расширения, причем температура фотонов на 40,1 % больше температуры нейтрино. В то же время охлаждение нейтрино и исчезновение электронов и позитронов «замораживают» нейтрон-протонное отношение примерно на уровне 1:5.
Е. При температуре около IO9 К (t « 180 с) нейтроны и протоны начинают быстро собираться в более тяжелые ядра, в результате чего образуется ионизованный газ, состоящий из водорода, He4 (27 % по массе) со следами d, He3 и других элементов. ¦568
