Наиболее распространенное состояние барионного вещества во вселенной

Самое распространенное вещество во Вселенной

Не будем тут лезть в дебри непознанного, не станем считать Темную Материю и Темную Энергию, поговорим лишь об обычном веществе, о привычных химических элементах, размещенных в (на сегодняшний момент) 118 клеточках таблицы Менделеева.

Атомарный водород H₁ это то, из чего состоят все звезды в галактиках, это основная масса нашей привычной материи, которые ученые называют барионной. Барионная материя состоит из обычных протонов, нейтронов и электронов и является синонимом слова вещество.

Но одноатомарный водород не совсем химическое вещество в нашем родимом, земном понимании. Это химический элемент. А под веществом мы обычно имеем ввиду какое-то химическое соединение, т.е. соединение химических элементов. Понятно, что самое простое химическое вещество это соединение водорода с водородом же, т.е. обычный газообразный водород H₂, который мы знаем, любим и которым наполняем дирижабли-цеппелины, от чего они потом красиво взрываются.

Двухтомный водород H₂ заполняет большинство газовых облаков и туманностей космоса. Когда под действием собственной гравитации они собираются в звезды, поднявшаяся температура разрывает химическую связь, превращая его в атомарный водород H₁, а все увеличивающаяся температура отрывает электрон e — от атома водорода, превращая в ион водорода или просто протон p + . В звездах все вещество находится в виде таких ионов, образующих четвертое состояние материи — плазму.

Опять таки, химическое вещество водород не очень интересная штука, оно слишком простое, давайте поищем что-то более сложное. Соединения, составленные из разных химических элементов.

Следующим по распространенности во Вселенной идет химический элемент гелий He, его во Вселенной 24% от общей массы. По идее, самым распространенным сложным химическим веществом должно быть соединение водорода и гелия, только вот беда, гелий — инертный газ. В обычных и даже не очень обычных условиях гелий не соединятся с другими веществами и сам с собой. Путем хитрых ухищрений его можно заставить вступать в химические реакции, но такие соединения редки и обычно долго не живут.

Значит нужно искать соединения водорода со следующими по распространенности химическими элементами.
На их долю остается лишь 2% массы Вселенной, когда 98% составляют упомянутые водород и гелий.

Третьим по распространению идет не литий Li, как могло бы показаться, глядя на таблицу Менделеева. Следующий по количеству элемент во Вселенной это кислород O, который мы все знаем, любим и дышим в виде двухатомного газа без цвета и запаха O₂. Количество кислорода в космосе далеко обгоняет все остальные элементы из тех 2%, что остались за вычетом водорода и гелия, фактически половина остатка, т.е. примерно 1%.

А значит, самым распространенным веществом во Вселенной оказывается (мы вывели данный постулат логически, но это так же подтверждается экспериментальными наблюдениями) самая обыкновенная вода H₂O.

Воды (в основном в замороженном состоянии в виде льда) во Вселенной больше чем чего бы то ни было. За вычетом водорода и гелия, конечно.

Из воды состоит все, буквально все. Наша Солнечная Система тоже состоит из воды. Ну, в смысле Солнце, конечно, состоит в основном из водорода и гелия, из них же собраны газовые планеты гиганты вроде Юпитера и Сатурна. Но вся остальное вещество Солнечной Системы сосредоточено не в каменнеподобных планетах с металлическим ядром типа Земли или Марса и не в каменном поясе астероидов. Основная масса Солнечной Системы в ледяных обломках, оставшихся от ее образования, изо льда состоят кометы, большинство астероидов второго пояса (пояса Койпера) и облако Оорта, находящееся еще дальше.

К примеру известная бывшая планета Плутон (ныне карликовая планета Плутон) на 4/5 частей состоит изо льда.

Понятно, что если вода находится далеко от Солнца или любой звезды, она замерзает и превращается в лед. А если слишком близко, испаряется, становится водяным паром, который уносится солнечным ветром (потоком заряженных частиц испускаемых Солнцем) в удаленные регионы звездной системы, где он замерзает и опять-таки превращается в лед.

Но вокруг любой звезды (повторяю, вокруг любой звезды!) есть зона, где эта вода (которая, опять повторюсь, является самым распространенным веществом во Вселенной) находится в жидкой фазе воды собственно.

Жидкой воды во Вселенной до черта. Вокруг любой из 100 миллиардов звезд нашей галактики Млечный Путь есть зоны, называемые Зоной Обитаемости, в которых существует жидкая вода, если там находятся планеты, а они должны там находиться, пусть не у каждой звезды, то у каждой третьей, или даже у каждой десятой.

Скажу больше. Лед может таять не только от света звезды. В нашей Солнечной Системе существует масса лун-спутников, вращающихся вокруг газовых гигантов, где слишком холодно от недостатка солнечного света, но на которые зато действуют мощные приливные силы соответствующих планет. Доказано, что жидкая вода существует на спутнике Сатурна Энцеладе, предполагается, что она есть на спутниках Юпитера Европе и Ганимеде, и наверняка много где еще.

Даже на Марсе ученые предполагают, может существовать жидкая вода в подземных озерах и кавернах.

Вы думаете, я сейчас начну говорить о том, что раз вода является самым распространенным веществом во Вселенной, значит здравствуй иные формы жизни, привет инопланетяне? Нет, как раз наоборот. Мне смешно, когда я слышу заявления некоторых чересчур увлеченных астрофизиков — «ищите воду, найдете жизнь». Или — «на Энцеладе/Европе/Ганимеде есть вода, а значит, наверняка там должна быть и жизнь». Или — в системе Глизе 581 обнаружена экзопланета, находящаяся в обитаемой зоне. Там есть вода, срочно снаряжаем экспедицию в поисках жизни!»

Воды во Вселенной масса. А вот с жизнью по современным научным данным пока как-то не очень.

Источник

Барионная асимметрия Вселенной

Кольцо темной материи, гипотетически связанной с барионной асимметрией.

Барионная асимметрия Вселенной – наблюдаемое явление преобладания вещества над антивеществом во Вселенной.

Барионы и их античастицы

Барион – это семейство элементарных частиц, основными свойствами которых являются участие в сильном взаимодействии и наличие полуцелого спина (фермион), также барионы состоят из трех кварков, изредка – из пяти. К частицам такого рода относятся протон, нейтрон, сигма-/кси-/омега-гиперон и лямбда-барион. Вместе с электронами барионы составляют материю, в привычной для нас форме – барионная материя.

Однако, как уже общеизвестно, существует и иной вид материи – антиматерия или антивещество. Первым шагом к этому открытию стало обнаружение позитрона в 1932-м году Карлом Андерсоном. Позднее были открыты и другие античастицы и даже синтезирован антиводород.

Факт наличия антиматерии во Вселенной должен непременно укладываться в космологические модели ее формирования – здесь-то и берет свое начало вопрос о барионной асимметрии во Вселенной.

Материя и энергия во Вселенной

Формирование вещества и антивещества

Основываясь на результатах наблюдения за видимой Вселенной, ученые могут утверждать с уверенностью, что антиматерия реально стабильно не образуется в природе. Ее нет как в нашей галактике, так и за ее пределами. А существование всех античастиц, известных физике, было подтверждено экспериментально, при помощи специальных установок, вроде ускорителей. Даже если позднее античастицы будут обнаружены в природе, где-то вне Млечного Пути, формирование подобных «сгустков» антиматерии не имеет определенных оснований. Очевидное преобладание частиц над античастицами во Вселенной не удается объяснить даже при помощи двух основных космологических теорий: общей теории относительности и стандартной модели.

Антиматерия в специальном реакторе. Это самое дорогое вещество в мире — один миллиграмм антивещества стоит 25 миллионов долларов.

Рассматривая теорию Большого Взрыва и учитывая известные законы термодинамики, ученые отметили тот факт, что число барионов в тот момент было приблизительно равно числу фотонов. Вероятнее всего изначально материя и антиматерия были представлены в равном количестве и их частицы (барионы и антибарионы) при столкновении аннигилировали. По этой причине большая часть барионов была уничтожена, в то время как фотоны, несмотря на постоянное поглощение и переизлучение, сохранились практически в изначальном количестве. Анализируя полученные результаты наблюдений и теоретические расчеты, физики пришли к выводу, что число фотонов превышает количество барионов в миллиард раз.

Упомянутое открытие означает, что в какой-то момент барионов стало на одну миллиардную больше, чем их античастиц, и именно эта миллиардная часть не нашла себе пары, чтобы аннигилировать. Благодаря некоему неизученному эффекту материя сохранилась в виде барионов, создав тем самым условия для появления жизни во Вселенной. Все могло бы произойти иначе, и в мире остался бы лишь разреженный протон-антипротонный газ и фотоны.

Так как барионная материя допускает наличие разумной жизни, последняя все же была сформирована и вскоре задалась вопросом о том самом эффекте, допустившем преобладание вещества над антивеществом на одну миллиардную часть.

Нарушение CP-инвариантности

В физике элементарных частиц существует такое понятие как «комбинированная чётность», которая предполагает инвариантность различных взаимодействий по отношению к следующим симметриям:

P – четность. Симметрия, которая создает зеркальное отражение рассматриваемой физической системы.
С – зарядовое сопряжение. Симметрия, согласно которой частица может превратиться в античастицу.
Т – симметрия. Означает замену значения времени t на –t, то есть обращение времени.

Схема распада ядра кобальта

Так как физические уравнения сохраняют свой вид при зеркальной инверсии системы, теоретически предполагалось, что зеркальное отражение какой-либо реакции проходило бы точно так же, как и сама реакция. До 1956-го года считалось, что сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия действуют одинаково при P-симметрии. Однако, в результате обработки данных китайскими учеными Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг было отмечено, что сохранение P-симметрии в слабых взаимодействиях не было подтверждено экспериментально. В том же году командой американских и китайских физиков был проведен эксперимент на основе бета-распаде ядер кобальта-60 (слабое взаимодействие), который показал значительное нарушение P-симметрии.

Решением возникшей проблемы симметрии занялся советский ученый Лев Ландау, который в 1957-м году предложил теорию о еще одной симметрии, таковой, что ее комбинация с P-симметрией сохранялась бы при слабом взаимодействии. В роли этой симметрии выступило зарядовое сопряжение (С-симметрия).

Однако, спустя всего семь лет, в 1964-м году американские физики Джеймс Кронин и Вэл Фитч, проведя эксперимент по распаду нейтральных каонов, открыли нарушение и CP-инвариантности. Это открытие позволяет понять причину, по которой мог произойти наблюдаемый дисбаланс вещества и антивещества во Вселенной.

Работы Сахарова

Проблемой барионной асимметрии Вселенной занимался выдающийся советский теоретик Андрей Сахаров, сделавший вклад в создание водородной бомбы и отличившийся трудами в области управляемого термоядерного синтеза, физики плазмы, магнитной гидродинамики и других. Именно он связал дисбаланс частиц и античастиц с нарушением CP-инвариантности. Помимо нарушения CP-симметрии, в своей работе Сахаров указал два других условия, требуемых для наличия барионной асимметрии, а именно:

Барионное число должно нарушаться, так как в какой-то момент барионов стало чуть больше, чем антибарионов. Это квантовое число, которое равняется разнице кварков и антикварков (из которых складываются барионы) в системе. Теоретически подобное нарушение возможно в теории Великого Объединения, согласно которому три взаимодействия при больших энергиях (выше 10 14 ГэВ ) соединяются в одно единое. В таком случае, вероятно, что Великое Объединение имело место быть на ранних этапах формирования Вселенной, когда и произошел рассматриваемый дисбаланс. Позже учеными было высчитано, что для нарушения барионного числа при слабом взаимодействии достаточно всего 100 ГэВ. Нарушение барионного числа физиками не наблюдалось. Возможность его существования подразумевает возможность распада протона либо случайное превращение нейтрона в антинейтрон, и наоборот.

Этапы развития Вселенной с точки зрения взаимодействия между частицами. Смотреть в полном размере.

Нарушение термодинамического равновесия Вселенной на ранних этапах формирования. После открытия нарушения CP-инвариантности было решено определить третью симметрию, которая бы в комбинации с двумя другими сохраняла действия трех взаимодействий. Ей стала та самая Т-симметрия. Так появилась в свет CPT теорема, гласящая об инвариантности трех взаимодействий относительно комбинации C, P и T симметрий. Тогда если система стремится к термодинамическому равновесию, то она становится все более симметричной. Поэтому для возникновения барионной асимметрии потребуется нарушение теплового равновесия в ранней Вселенной. Теоретически оно было возможным при относительно невысоких температурах во время зарождении Вселенной.

Таким образом, вышеприведенные условия, которые поставил Андрей Сахаров, приводят к барионной асимметрии Вселенной. Хотя эти условия теоретически и могут быть удовлетворены на ранних этапах формирования Вселенной, экспериментальные подтверждения их достоверности до сих пор не получены.

Существует ряд иных теорий о сложившемся дисбалансе вещества и антивещества во Вселенной, в том числе и предположение об изначальных условиях несимметричности. В 2010-м году появилась гипотеза, связывающая барионную асимметрию с темной материей. Проверка этих гипотез проводится на Большом адроном коллайдере, на основе результатов его экспериментов строятся и другие гипотезы.
‘ alt=»yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7 — Барионная асимметрия Вселенной» title=»Барионная асимметрия Вселенной»>