Методические материалы, статьи

Еще одна элементарная загадка

Третья, давняя и не последняя

Эта статья — продолжение разговора, начатого автором в двенадцатом номере нашего журнала за прошлый год. Тогда он обратился к разрешению вопросов о странном разнообразии химических элементов во Вселенной и непонятном различии в содержании кислорода вблизи и на удалении от Солнца. В этом же ряду — загадка дейтерия, тяжелого водорода, ведущая к раскрытию тайн образования Вселенной.

Ученые тоже могут оказаться в ситуации тех печально знаменитых журналистов из ночного выпуска «Чикаго дейли трибюн», которые в день президентских выборов 1948 года в Америке объявили, что Дьюи победил Трумэна, чтобы всего лишь через несколько часов признать, что реальные данные, пришедшие с избирательных участков, свидетельствуют о прямо противоположном. Всего лишь в марте 1996 года американский астрофизик Крэйг Хоган объявил в журнале «Астрофизикал леттерз», что ему удалось обнаружить необычайно высокое содержание дейтерия в облаке межзвездного газа, находящемся на окраине видимой Вселенной (и, стало быть, образованном на самых ранних этапах ее эволюции). И вот не прошло и года, как прижатый к стенке новыми данными Хоган вынужден был признать, что реальность выглядит несколько иначе, чем в том сценарии, который он нарисовал на основе своих прежних результатов. Группа Давида Титлера из Калифорнийского университета провела более тщательные наблюдения того же облака и показала, что количество дейтерия там куда меньше, чем по выводам Хогана, и это грустное заключение подтвердил (на основе независимых исследований) другой астрофизик из Калифорнийского университета Лимин Лу.

Таким образом, эту историю можно считать загадкой, которая почти немедленно получила разгадку, а поскольку она касается дейтерия, хоть и не входящего в список элементов таблицы Менделеева, но являющегося изотопом одного из них и притом чуть ли не важнейшего — водорода, то всю эту забавную историю тоже можно числить по списку «элементарных загадок «Вселенной, о которых мы взялись рассказать.

Тут, однако, нужно прежде всего разъяснить, а чем, собственно, интересен дейтерий и что это такое?

Дейтерий — это тяжелый изотоп водорода, присутствующий, например, в так называемой тяжелой воде. Если атом обычного водорода состоит из одной положительно заряженной частицы — протона и одного электрона, то ядро атома дейтерия включает, кроме протона, еще и другую ядерную частицу — нейтральный нейтрон (он чуть тяжелее протона). Заряд ядра от этого, понятно, не меняется, и для нейтральности атома в целом по-прежнему достаточно одного электрона (стало быть, химические свойства дейтерия такие же, как обычного водорода), но вес ядра и атома в целом вдвое «с хвостиком «больше, чем у обычного водорода. Поэтому дейтерий и называется его тяжелым изотопом.

Остается сказать, в чем состоит его значение для науки о Вселенной. Оно состоит в том, что дейтерий — «живой свидетель «самых ранних этапов ее эволюции. Практически весь дейтерий, существующий в природе, образовался на этих этапах. Те ядра дейтерия, которые содержатся сегодня в норвежской «тяжелой воде», — почти ровесники Большого Взрыва. Им двенадцать миллиардов лет, если не больше. Это уникальные по древности образования частички вещества. Поэтому их изучение вводит исследователей прямиком в ту загадочную область, которая называется «первичным этапом эволюции Вселенной ».

Теоретические расчеты показывают, что примерно через секунду после Большого Взрыва Вселенная имела температуру порядка десяти миллиардов градусов (в тысячу раз больше, чем в центре Солнца). При такой температуре уже возникали комплексы мельчайших частиц — кварков и глюонов, которые складывались в протоны и нейтроны, но эти комплексы были неустойчивы, и в результате протоны и нейтроны непрерывно превращались друг в друга. Однако при дальнейшем понижении температуры весь этот «суп «постепенно стал переходить в наиболее низкое (наиболее устойчивое) состояние, а так как протоны чуть легче нейтронов (то есть их внутренняя энергия чуть меньше), то они чуть устойчивее, и основная масса вещества превратилась в протоны. По тем же расчетам, протонов в этой ранней Вселенной было примерно в семь раз больше, чем нейтронов.

Когда со времени Большого Взрыва прошло уже несколько минут, температура упала до одного миллиарда градусов. Теперь протоны и нейтроны двигались уже настолько медленно, что могли слипаться друг с другом. Каждый нейтрон находил себе свободный протон и, объединяясь с ним ядерными силами, создавал «дейтрон», или ядро атома дейтерия (именно ядро, а не атом, поскольку электроны при такой температуре еще не могли устойчиво связываться с ядрами: энергия их электрического притяжения была меньше энергии хаотического теплового движения). Почти все такие дейтроны тут же слипались по двое, образуя ядра гелия. К тому времени, когда это превращение завершилось, плотность вещества во Вселенной оказалась такой малой, что никакие другие реакции уже идти не могли: более тяжелые ядра не возникали, и почти все нейтроны остались в составе первичного гелия. Каждый из них был связан там со своим протоном; но так как изначально протонов было в семь раз больше, чем нейтронов, то лишь один из каждых семи протонов нашел.себе нейтронного партнера. Шесть седьмых всех протонов остались в одиночестве и со временем образовали атомы водорода. Эта эволюция привела к тому, что около четверти всей обычной массы Вселенной оказалось в состоянии гелия, а три четверти — в виде водорода (приходится оговариваться: именно «обычной массы», так как сегодня считают, что во Вселенной существует еще некое особое «темное вещество», о составе и законах возникновения которого наука пока ничего толком не знает). А поскольку водород — это главное топливо звездных термоядерных реакций, то именно это его преобладание в природе как раз и обеспечило нас звездным (и солнечным) светом, а также всеми более тяжелыми элементами, которые возникли уже позже в недрах водородно-гелиевых звезд.

Как показывает теория, в результате всех этих первичных процессов во Вселенной осталось крайне мало свободных дейтронов, не слипшихся в ядра гелия, — примерно один на каждые десять тысяч. Еще меньшее их количество успело слиться в чуть более тяжелые, чем у гелия, ядра лития. Это привело к определенному соотношению количества гелия, дейтерия и лития в первичной Вселенной. Согласно теории, это количество зависело только от одной характеристики начальной Вселенной — отношения числа «барионов «в ней (то есть всех протонов и нейтронов вместе) к числу фотонов (квантов электромагнитного излучения, или, проще, света), наполнявших тогдашнее пространство космоса. Это отношение, как утверждает теории, установилось уже на первых этапах эволюции Вселенной и затем уже практически не менялось; оно составляет примерно одну миллиардную (один барион на каждый миллиард фотонов, что дает представление о том, насколько разреженной — в смысле вещества — была, да и осталась Вселенная). Количество фотонов в нынешней Вселенной можно измерить непосредственно — это около 411 «штук «на каждый кубический сантиметр пространства. Выходит, барионов должно быть в миллиард раз меньше — около 0,4 бариона на каждый кубометр космоса. Впрочем, все эти подсчеты являются качественными и варьируют в довольно широких пределах — от вдесятеро больших до вдесятеро меньших.

Но даже эти качественные оценки не позволяют установить, сколько дейтерия было в первичной Вселенной. Вообще говоря, этот дейтерий мог оказаться как в составе звезд, так и в межзвездном пространстве. Однако внутри звезд он непрерывно перерабатывался в более сложные элементы, а так как это происходило в течение миллионов лет, то сегодня «внутризвездного «дейтерия давно уже нет. Весь дейтерий, сохранившийся в природе, — это тот, который остался в межзвездном пространстве, причем остался почти со времен Большого Взрыва, с момента своего образования. Ясно, что сохранившегося дейтерия меньше, чем первоначального (ведь какая-то его часть, как уже говорилось, сгорела в недрах звезд), и поэтому измерения нынешней концентрации дейтерия и водорода не позволяют рассчитать, какова была их относительная концентрация на старте Вселенной.

Эту концентрацию можно, однако, измерить непосредственно. Для этого нужно лишь заглянуть в далекое прошлое Вселенной. Машины времени у исследователей, разумеется, нет, но ее эквивалент известен им давно. В расширяющейся Вселенной эквивалентом времени является расстояние. Чем дальше успели разбежаться галактики и другие космические образования, тем раньше, стало быть, они возникли, а это означает, что чем дальше некий наблюдаемый астрономами объект, тем он древнее. Свет от так называемых квазаров (во многом еще загадочных гигантских квазизвездных — отсюда название — объектов на окраинах видимой Вселенной) идет к нам почти 9 — 10 миллиардов лет; значит, эти квазары находятся на расстоянии 9 — 10 миллиардов световых лет от нас, то есть это одни из самых ранних материальных образований, возникших в природе.

На своем пути к земным телескопам этот свет неизбежно проходит через облака межзвездного газа, состоящие в основном из водорода и частично из дейтерия. Точнее, однако, было бы сказать, что лишь самые далекие (то есть самые древние) облака состоят только из водорода и дейтерия, более близкие к нам (и более молодые) загрязнены тяжелыми элементами, выброшенными из недр звезд в процессе звездных взрывов, произошедших за последующие миллиарды лет. Для того чтобы определить отношение первичного дейтерия к первичному водороду, нужно исследовать только «первичные», «чистые «облака, а это как раз самые древние (то есть самые далекие).

Когда свет квазара проходит через такие облака газа, он частично поглощается. Атомы водорода особенно сильно поглощают ультрафиолетовый свет, поэтому к земным телескопам свет квазаров приходит с «дырками «в ультрафиолетовой части спектра; в спектрографе телескопа эти «дырки», вызванные поглощением, выглядят как темные линии — они называются «линиями Лаймана ». («Дырки «не выглядят как сплошной темный участок, потому что атомы способны поглощать световую энергию лишь квантованно, то есть только свет строго определенных длин волн.) Но эти линии Лаймана лежат в таком далеком ультрафиолете, который вообще не проходит сквозь земную атмосферу, поэтому наблюдать их с Земли невозможно. К счастью, все космические объекты движутся, квазары и межзвездные облака газа удаляются от нас с огромной скоростью, которая тем больше, чем они дальше; и в результате эффекта Доплера (сдвига всех длин волн излучения в красную область при удалении излучателя) линии Лаймана у самых далеких квазаров и облаков сдвигаются в видимую часть спектра, где они могут наблюдаться в земной телескоп. Тут, правда, есть еще одна сложность: чем дальше излучающий объект (в данном случае квазар), тем слабее его свет, поэтому даже эффект Доплера не помогал ранее исследовать линии Лаймана из-за их слабости. Но сегодня в распоряжении астрономов и астрофизиков есть такие мощные инструменты, как десятиметровый телескоп Кека на Гавайях, и вот на нем-то упомянутый выше Крэйг Хоган и начал в 1993 году исследования света очень далекого квазара, надеясь получить таким образом данные о концентрации «первичного «водорода и дейтерия в очень далеких облаках межзвездного газа.

Каждое облако, сквозь которое на пути к Земле проходит свет квазара, создает свои линии поглощения, и их нужно отделить друг от друга, чтобы найти результат действия самых далеких облаков. К счастью, это нетрудно (теоретически говоря) сделать, так как более близкие к нам облака движутся с меньшей скоростью и дают меньший эффект Доплера; их линии поглощения сдвигаются в красную сторону меньше, чем линии более далеких. Отсюда ясно, что самые сдвинутые в красное линии принадлежат искомым, самым далеким облакам. Интенсивность линии показывает меру поглощения, то есть концентрацию водорода в облаке. Рядом с линиями водорода неизменно появляются очень тонкие их «спутники «- линии поглощения межзвездного дейтерия (поскольку атомы дейтерия чуть тяжелее атомов водорода, они поглощают несколько иные кванты излучения, или света, квазара). Их интенсивность позволяет подсчитать концентрацию дейтерия в том же облаке. А поскольку облако выбрано самое древнее, не «загрязненное «присутствием более поздних тяжелых элементов, то полученные данные отражают соотношение дейтерия и водорода в ранней Вселенной.

Исследования группы Хогана привели к вывозу, что на ранних этапах эволюции Вселенной это соотношение было таково, что каждые два атома дейтерия приходились на десять тысяч атомов водорода. Полученные данные позволили Хогану вычислить первичное отношение числа барионов к числу фотонов. Оно оказалось равным двум барионам на каждые десять миллиардов фотонов. (Напомним, что теоретические оценки этого отношения, как уже было сказано выше, сильно варьируют, и важность любого прямого измерения состоит прежде всего в том, что оно резко сужает пределы этих вариаций, указывая более реальные значения.) Зная это отношение, можно было подсчитать (с помощью теории Большого Взрыва) количество первичного гелия и лития. Оно оказалось очень близким к тем данным о литии и гелии, которые наблюдаются сегодня в самых древних межзвездных облаках. Иными словами, данные Хогана подтвердили справедливость существующей теории Большого Взрыва вплоть до времени, отстоящего всего на одну секунду от него. Это означало, что теоретическая космология правильно понимает события, происходившие всего через секунду после Большого Взрыва. Теоретики могли ликовать. Ликовать мог и сам Хоган. Его данные позволяли сделать еще один важный вывод. Основанный на них расчет показывал, что общее число барионов в первичной и сегодняшней Вселенной практически одинаково. Иными словами, во Вселенной нет «скрытых», «невидимых «барионов. Между тем другие наблюдения давно уже доказали, что для объяснения существующего гравитационного притяжения нужно допустить наличие во Вселенной огромных масс некоего невидимого, «темного «вещества. Сопоставление этих двух выводов немедленно приводит к заключению, что такое «темное «вещество не может состоять из барионов просто потому, что такого количества невидимых барионов во Вселенной вообще нет. Так исследования первичного дейтерия привели к фундаментальному следствию — возможности утверждать, что загадочное темное вещество должно состоять не из обычных барионов, а из каких-то особых, еще не известных науке частиц.

И вот теперь все эти замечательные результаты разом обернулись преждевременными: группа Титлера, наблюдая прохождение света того же квазара через то же облако, получила вдесятеро меньшие величины концентрации первичного дейтерия относительно первичного водорода. Хоган вынужден был признать, что его собственные данные, по всей видимости, были завышенными. К его чести следует сказать, что он был осторожен уже в самой первой своей публикации, еще в 1994 году; он оговорился там, что полученные данные могут отражать лишь «максимально возможную «концентрацию дейтерия, так как не исключено, что эти данные искажены не до конца учтенным влиянием промежуточных межзвездных облаков на линии поглощения водорода. Однако позже, в статье, опубликованной два года назад в «Астрофизикал леттерз», он уже заявил, что эти данные «абсолютно точны ». В результате ему пришлось теперь идти на попятный. Но дело ведь не в отказе Хогана от своих выводов. Куда неприятней, что вместе с этими выводами исчезает важное подтверждение существующей теории Большого Взрыва, а заодно и основания утверждать, что «темное «вещество не может состоять из обычных частиц. Не удивительно, что далеко не все космологи и астрофизики обрадовались результатам Титлера, а бывший соавтор Хогана по первой публикации Леннокс Кови тотчас заявил, что его новые (еще не опубликованные) данные противоречат данным группы Титлера и подтверждают выводы Хогана.

Я сказал поначалу, что история с дейтерием — это загадка, немедленно получившая разгадку. Кажется, было бы правильней сказать, что это загадка, немедленно подучившая отгадку, которая в свою очередь тотчас породила новую загадку. Очень знакомая ситуация. В сущности, вся история науки — это непрерывная череда таких вот плодотворных ситуаций от очередного Хогана к очередному Титлеру, а от него — к очередному Кови. Но ее отличие от обычной истории в том, что каждый такой переход представляет собой шаг вперед, а не унылое повторение пройденного.

Рафаил Нудельман



См. также:
Курсы английского языка для школьников в центре «Милленниум»
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное
Семь причин купить секонд-хенд оптом в нашей компании: Вашему вниманию предлагается одежда и обувь категорий Lux, Extra и Cream. Все товары секонд-хенда, предлагаемы нами оптом, проходят двухэтапную обработку (специальным химическим составом и горячим паром). Это с одной стороны исключает риск переноса заболеваний, а с другой стороны гарантирует, что вещь не деформируется после обычной стирки.

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005