За пределами нашей галактики: Ядерные реакции большого взрыва  

В соответствии с теории Большого взрыва, наша Вселенная была горячее, чем центр звезды.

Отчего же тогда все первоначальные атомы водорода не превратились в железо? (Отыщем в памяти, что ядра атомов железа крепче связаны, чем каждые другие, и создаются лишь в сердце самых громадных и самых тёплых звезд). Если бы это случилось, в нашей сегодняшней Вселенной не существовали бы долгоживущие звезды, в силу того, что все доступное горючее было бы использовано в изначальном огненном шаре.

Звезда, складывающаяся из газообразного железа, могла бы существовать, но она бы истощилась не за миллиарды лет, а за миллионы, как когда-то Кельвин думал про Солнце. К счастью, первые пара мин. расширения не дали достаточного времени чтобы ядерные реакции перевоплотили какие-либо из первоначальных материалов в железо либо кроме того в углерод, кислород и т. д. Реакции преобразовали приблизительно 23 % водорода в гелий, но (если не считать следов лития) элементы, стоящие дальше в периодической таблице, на протяжении самого Большого взрыва не появились.

Первичный гелий однако крайне важен и дает большое подкрепление теории Большого взрыва.

Кроме того самые ветхие объекты (где примесь углерода, кислорода и т. д. в много раз меньше, чем в Солнца), как выяснилось, на 23–24 % складываются из гелия: не найдено ни одной звезды, галактики либо туманности, где гелий видится реже. По всей видимости, галактики сначала состояли не из чистого водорода, а сходу из смеси водорода и гелия. (Внешние слои Солнца на 27 % складываются из гелия, из них «лишние» 3–4 % – это то количество, которое было синтезировано наровне с углеродом, кислородом и железом в первых короткоживущих звезд, создавших пылевое облако, из которого появилась наша Наша система.)

Многие медлительно горящие звезды с низкой массой, каковые появились на пара миллиардов лет раньше Солнца, в то время, когда наша Галактика была еще молода, до сих пор живы.

В них содержится меньше, чем в Солнце, углерода, кислорода и железа в пропорции с водородом, что в полной мере естественно, в случае, если, как первым увидел Хойл, эти атомы были исторгнуты из массивных звезд и понемногу накапливались с течением истории Вселенной. Точка зрения Хойла расходится с мнением Георгия Гамова о том, что вся периодическая таблица была «приготовлена» в первоначальной Вселенной. Если бы Гамов был прав и эти элементы появились раньше, чем первые звезды и галактики, они бы виделись везде с однообразной частотой – и в молодых, и в ветхих звездах.

Гелий – единственный элемент, который, в соответствии с расчетам, был создан в изобилии на протяжении Большого взрыва.

Это обнадеживает, потому, что объясняет, по какой причине гелия так много и он везде присутствует в одной и той же пропорции. Так, установление связи гелия с Громадным взрывом решило давнюю проблему и подтолкнуло космологов к тому, дабы обратить важное внимание на первые пара секунд космической истории.

Помимо этого, на Большой взрыв удалось возложить ответственность за другой вид атомов – дейтерий (тяжелый водород). Атом дейтерия содержит не только протон, но и нейтрон, что дает ему дополнительную массу, но не дополнительный заряд.

При другом обороте дела существование дейтерия оставалось бы тайной, в силу того, что в звездах он лишь разрушается: в качестве ядерного горючего поджечь его легче, чем простой водород, исходя из этого сравнительно не так давно образованные звезды сжигают целый дейтерий на протяжении своего первоначального сжатия, а позже переходят на более долгие фазы сжигания водорода.

Гелий и дейтерий появились, в то время, когда температура сжатой Вселенной была около 3 млрд градусов – приблизительно в миллиард раз выше, чем на данный момент. При расширении Вселенной мы можем представить себе, как удлиняются штыри в пространственной решетке Эшера (см. рис. 5.1). Волны излучения вытягиваются пропорционально длине штырей, и температура понижается в обратной пропорции к длине.

Это указывает, что, в то время, когда температура была около 3 млрд градусов (а не около 3 градусов выше полного нуля, как на данный момент), штыри были в миллиард раз (109) меньше, а для плотности эту степень еще необходимо возвести в куб – она была в 1027 раз выше. Но наша сегодняшняя Вселенная такая разреженная – приблизительно 0,2 атома на 1 м3, – что ее плотность, которая была такой огромной, на данный момент меньше плотности воздуха! Температура же была так высока, что отдельные ядра были вовлечены в стремительное хаотичное движение. В лабораторных опытах возможно проверить, что же происходит, в то время, когда ядра водорода и гелия сталкиваются с той же энергией, как при образовании гелия, исходя из этого расчеты основываются на фундаментальной физике.

В случае, если мы примем сегодняшнюю плотность Вселенной равной 0,2 атома на 1 м3, вычисленное соотношение водорода, гелия и дейтерия, каковые появились при остывании «огненного шара» Вселенной, согласуется с наблюдениями.

Это не имеет возможности не радовать, в силу того, что замечаемое изобилие могло бы абсолютно противоречить предсказаниям любой теории Большого взрыва либо могло им соответствовать лишь при намного большей либо намного меньшей плотности, чем те, каковые мы замечаем. Как видим, значение 0,2 атома на 1 м3 в действительности близко к сглаженной плотности галактик и газа во Вселенной. (У этого положения имеется ответственное использование в области изучения чёрной материи)