Хімічний склад та еволюція Всесвіту

Результати спектрального аналізу дозволяють відтворити кар­тину походження елементів, еволюції в космосі й уточнити деякі фундаментальні величини, важливі для розуміння еволюції Всес­віту загалом.

Вивчення маломасивних зір, що сформувалися на різних ета­пах життя Галактики, еволюція яких протікає повільно, дозволяє побудувати емпіричні залежності вмісту елементів від часу. Порів­няння їх із теоретично передбаченими — це чудова перевірка і те­орії зоряної еволюції, і ядерної фізики, і космологічних моделей Всесвіту. Наведемо кілька прикладів.

1. Другим за поширеністю елементом в космосі є гелій. Його вміст практично однаковий в найбільш старих зорях Галактики (22 % загальної маси речовини), на Сонці (26, 8 %) і в міжзоря­ному середовищі (23-30 %) і збігається з виходом первинного гелію при Великому Вибуху. Це, з одного боку, підтверджує сучасні уявлення про зоряну еволюцію, тому що хоча гелій постійно утворюється під час горіння водню в надрах зір, але далі він або повністю згоряє, перетворюючись на більш важкі елементи, або у вигляді гелієвих карликів залишається в за­консервованому стані і не бере участь у кругообігу речовини. З іншого боку, це підтвердження моделі Всесвіту.

2. Розширення Всесвіту підтверджується спостережними факта­ми, але чи буде воно тривати нескінченно відповідно до моде­лі відкритого Всесвіту, чи зміниться стисканням, як пророкує модель закритої Всесвіту? Це залежить від сучасної середньої густини речовини в космосі. Якщо вона менше або дорівнює критичній р₀ =10^-26кг/м³, то Всесвіт відкрито. За сучасними уявленнями, його частина, що спостерігається, повинна бути плоскою, а значить, повинна збігатися з р₀? Прямі вимірю­вання дають ~ р 0, 005р₀, але ця величина визначається масою тільки випромінювальної речовини. На існування темної, або прихованої, маси, що перевищує приблизно в 10 разів масу видимої речовини, вказує вивчення скупчень галактик. Вияв­ляється, природу прихованої маси можна зрозуміти шляхом аналізу вмісту дейтерію у Всесвіті. Вихід первинного дейтерію чутливий до густини звичайної речовини, протонів, нейтронів і електронів: чим вона вища, тим менше утворюється дейтерію. Якби в епоху синтезу вся речовина була звичайною і її густина відповідала критичній, то дейтерію мало утворитися на шість

порядків менше від сучасних спостережуваних значень. Звідси треба зробити висновок, що тільки близько 1/10 маси належало звичайній речовини, а інша мала б перебувати в якійсь екзотич­ній формі, наприклад у вигляді слабко взаємодіючих частинок типу нейтрино. Це співвідношення має зберегтися до цієї епохи.

3. Вихід первинного Не за відомої величини р₀ залежить від того, скільки існує типів нейтрино. Якщо припустити, що їх більше чотирьох, то бачимо, що вміст Не у Всесвіті виявляється менше від первинного, що пояснити неможливо. Як бачимо, зоряна спектроскопія допомагає встановити таку фундаментальну ха­рактеристику природи, як число типів нейтрино.

4. Описана схема походження елементів у загальному підтвер­джується даними спостережень, хоча залишаються проблеми, які вимагають подальшого вивчення. Досі не виявлені об’єкти, хімічний склад яких збігався б із первинним, тобто об’єкти, що складаються тільки з Н і Не. У найстаріших зорях Галактики вміст металів на три-чотири порядки нижче від сучасного, але не нульовий. У квазарах, які вважаються зародками галактик і які утворилися незабаром після початку розширення Всесві­ту, вже є вуглець, азот та інші елементи, та їх вміст близький до сучасних у нашій Галактиці!