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.
КОМЕТЫ
В переводе с греческого языка «комета» означает: «носящая длинные волосы». На самом деле кометы — это небесные тела неправильной формы, которые состоят изо льда с вкраплениями каменных и железных глыб, имеющих размеры порядка нескольких десятков километров. Когда комета приближается к Солнцу, ледяная поверхность кометы нагревается и лед начинает потихоньку таять и испаряться. Ядро кометы окружает слой, который состоит из газа, пыли, а также из частичек льда. Именно этот слой в лучах Солнца начинает светиться отраженным светом. Благодаря этому свечению комета становится заметной на небосводе. Чем ближе комета приближается к Солнцу, тем больше она нагревается. А это значит, что тем больше становится оболочка ее ядра. У кометы появляется «хвост», который состоит из той же пыли, газа и частичек льда. Образовавшийся хвост также начинает отражать солнечные лучи. Чем ближе комета приближается к Солнцу, тем больше ее хвост.
