Первые три минуты

т. е. на взаимные превращения электронных нейтрино в мюонные и тау-нейтрино во время пролета нейтрино от источника (ядерного реактора или ускорителя) до мишени, т. е. детектора. Такие осцилляции интересны для астрономии сами по себе, так как они объясняют дефицит солнечных нейтрино в соответствии с идеей, давно высказанной Б.М. Понтекорво. Но эти осцилляции важны еще и потому, что они были бы невозможны, если бы все нейтрино имели нулевую массу покоя.

Наличие у нейтрино небольшой массы покоя, скажем, между 5 и 50 эВ, имеет огромное значение для космологии. Процессы при высокой температуре, в течение тех «первых минут», которым посвящена книга Вайнберга, практически не изменяются, поскольку энергия покоя нейтрино мала по сравнению с температурой (см. выше в этом дополнении). Однако еще до рекомбинации водорода (происходящей при температуре 3000 К = 0,3 эВ) тепловая энергия становится меньше массы покоя нейтрино. В термодинамическом равновесии нейтрино и антинейтрино должны были бы аннигилировать, превращаясь в фотоны. Однако вероятность такого процесса при температуре ниже 10¹⁰ К ничтожна, аннигиляция нейтрино практически не имеет места.

К сегодняшнему дню Вселенная пришла с неизменным соотношением между концентрацией фотонов (~400 штук в 1 см³) и концентрацией нейтрино (около 360 штук нейтрино и антинейтрино всех трех сортов в 1 см³).

Средняя энергия одного фотона при температуре 2,7 или З К около 0,001 эВ, что соответствует массе 2 × 10^-36 г; плотность фотонного газа составляет при этом около 10^-33 г/см³.

Плотность же нейтринного газа при средней массе покоя 10 эВ для нейтрино всех видов равна 10^-29 г/см³. Это в 10 000 раз больше плотности излучения! Плотность излучения в настоящее время мала по сравнению с плотностью обычного вещества, т. е. барионов (~ 10^-30 — 10^-31 г/см³), и мала по сравнению с критической плотностью (5 × 10^-30 — 10^-29 г/см³). Но плотность нейтрино, если они обладают массой покоя порядка 10 эВ, оказывается очень большой! Возникает принципиально новая картина Вселенной, в которой главную часть плотности составляет плотность нейтрино.

Более того, не исключено, что именно за счет плотности нейтрино мир оказывается замкнутым, а не открытым. Напомним, что при плотности, превышающей критическую, общая теория относительности предсказывает: 1) что кривизна пространства соответствует замкнутому миру без границ, но с конечным полным объемом, наподобие поверхности шара; 2) что наблюдаемое в настоящее время расширение Вселенной через некоторое время, порядка 10 миллиардов лет, сменится неограниченным сжатием. Произойдет ли это? Ответ на этот вопрос зависит от результатов очень трудных опытов по определению массы нейтрино.

Во Вселенной с тяжелыми нейтрино рост возмущений плотности также происходит совершенно иначе: сперва возникают и усиливаются возмущения плотности нейтрино (это первыми отметили в 1975 году венгерские физики Маркс и Салаи) и лишь позднее, после рекомбинации водорода, к ним подстраиваются возмущения плотности нейтрального газа. В частности, образование скоплений галактик оказывается возможным совместить с малой амплитудой возмущений микроволнового излучения. Эта картина развивается в нескольких заметках Я.Б. Зельдовича, Р.А. Сюняева, А.Г. Дорошкевича и М.Ю. Хлопова в «Письмах в Астрономический журнал» (август 1980 года).

Есть указания, что масса гигантских скоплений галактик больше суммы масс галактик, входящих в эти скопления. Наиболее убедительные данные по проблеме скрытой массы дал эстонский астроном Эйнасто. Возможно, что скрытая масса представляет собой облако тяжелых нейтрино, в которое погружены галактики.

В настоящее время (декабрь 1980 года) мир с нетерпением ожидает новых экспериментальных данных по массам нейтрино различных сортов.

Наконец, возникает естественный вопрос — ограничивается ли число сортов нейтрино тремя (соответствующим электрону, мюону и тау-лептону). В.Ф. Шварцман (СССР, 1969 год) показал, что слишком большое число сортов нейтрино изменило бы результаты нуклеосинтеза, так что космология позволяет высказать суждение о частицах, еще не открытых в лаборатории, позволяет бороться с демографическим взрывом среди частиц. Эти соображения уточняли американские астрофизики. Сейчас считается, что число сортов нейтрино не превышает 4–6.

ДОПОЛНЕНИЕ 8. НАЧАЛЬНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ И ПЕРВИЧНЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

В настоящее время Вселенная с хорошей точностью однородна в большом масштабе. Но определенные отклонения от однородности в масштабе, соответствующем скоплениям галактик, т. е. порядка 10 — 100 мегапарсек, несомненно имели место, иначе не могла бы возникнуть наблюдаемая структура Вселенной.

Амплитуду этих возмущений в начальном состоянии при большом сжатии можно характеризовать безразмерной величиной — локальным отклонением метрики пространства от метрики однородного пространства. На классическом языке можно говорить о возмущении ньютонового гравитационного потенциала, причем за единицу принят квадрат скорости света. Раньше предполагалось, что безразмерное возмущение имеет порядок 10^-3. Если у нейтрино масса покоя около 10 эВ, то для образования структуры Вселенной достаточно, чтобы начальные возмущения были порядка 10^-5 в безразмерных единицах.

При этом астрономические наблюдения дают сведения о возмущениях в указанном выше большом масштабе и на начальном этапе эволюции; отдельные галактики, облака газа и звезды в галактиках появились позже! Они возникли при дроблении возмущений плотности большого масштаба и не характеризуют начальные малые возмущения метрики.

Наиболее вероятной представляется картина, в которой возмущения во всех масштабах имеют одинаковый порядок величины (около 10^-5 в безразмерных единицах). Начальные возмущения определенного масштаба, порядка 10 — 100 мегапарсек, оказываются при этом единственно важными для сегодняшней картины Вселенной в силу физических законов развития возмущений во время эволюции от начального до сегодняшнего состояния.

В принципе, однако, эти же законы не исключают возможности больших отклонений от однородности в малом масштабе, например в масштабе, который сегодня равен одному парсеку, или 3 × 10¹⁸ см. В ходе расширения длина волны возмущения также растет; эта длина волны была меньше 3 × 10¹⁵ см в момент рекомбинации (температура 3000 К), 3 × 10¹² см в момент, когда температура равнялась 3 × 10⁶ К, и т. д. В частности, при красном смещении z = 10¹¹, температуре порядка 3 × 10¹¹ К и плотности 5 × 10¹¹ г/см³ в момент t = 10^-3 с длина волны такого возмущения имела порядок 3 × 10⁷ см, т. е. примерно равнялась произведению скорости света на время, истекшее с момента начала расширения. В период между t = 10^-3 с и моментом рекомбинации возмущение плотности с такой длиной волны превратится в акустическую волну, которая вскоре затухает под действием вязкости, не оставляя следа ни в распределении вещества, ни в спектре излучения. Точно так же сгладятся и возмущения в распределении нейтрино и вещества. Таков вывод, который можно сделать из теории возмущений малой амплитуды, наложенных на фридмановское решение.

Однако, если амплитуда возмущения велика, то возможен и другой вариант развития событий. Я.Б. Зельдович и И.Д. Новиков (1967 год) отметили, что большой избыток плотности в какой-то области может остановить расширение. В этой области оно сменится сжатием и образуется черная дыра, которая уже не выпустит находящиеся внутри нее вещество и излучение. Получающееся тело было названо первичной черной дырой в отличие от тех черных дыр, которые образуются в настоящее время или образовались в недалеком прошлом в результате эволюции звезд или звездных скоплений.