Вселенная с нуля. От Большого взрыва до абсолютной пустоты: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Пропорциональное содержание гелия, повсюду наблюдаемое во Вселенной и сегодня, представляет собой одно из самых надежных доказательств в пользу теории Большого взрыва. Те процессы ядерного синтеза, которые продолжаются внутри звезд, не могут произвести количества гелия, необходимого для объяснения подобного изобилия.

Помимо гелия-4, первичный ядерный синтез оставил по себе и другие изотопы легких элементов, но в совсем незначительных количествах – например, гелий-3 или литий-7. Больше всего осталось водорода-2 (одна стотысячная). Следует отметить, что водород – единственный элемент, чьи изотопы обладают привилегией иметь собственное название, отличающее их от других элементов: водород-2 именуется дейтерием. Его обилие к концу фазы первичного ядерного синтеза определялось прежде всего плотностью барионов. Измеряя количество дейтерия сегодня, космологи пытаются оценить пропорциональное количество барионов во Вселенной. Однако дейтерий – элемент весьма деликатный: его нестабильность сама по себе повлияла на скорость первичного синтеза гелия, а его быстрый распад в недрах звезд затрудняет измерение его количества.

Ядро дейтерия, состоящее из протона и нейтрона, обладает, по сравнению с водородом-1, двойной массой. Дейтерий, у которого в ядре тоже всего один протон, имеет те же химические свойства, что и водород. Два атома дейтерия без всяких проблем соединяются с атомом кислорода и образуют молекулу воды. Из-за двойной массы ядра дейтерия такая вода называется «тяжелой». Она используется в некоторых ядерных реакторах для торможения нейтронов, которые образуются в результате процессов деления. У замедленных нейтронов больше шансов вызвать реакцию распада и таким образом запустить цепную реакцию. Именно поэтому тяжелая вода казалась такой ценностью в 1940-х годах в нацистской Германии, где ученые проводили ядерные испытания, по счастью тщетные.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Образование гелия (3 минуты после начала расширения)

Солнце – атомная электростанция (4,57 миллиарда лет назад)

380 тысяч лет после начала расширения

Вселенная становится прозрачной

Итак, Вселенная остыла, но ее температура держалась на уровне выше трех тысяч кельвинов еще в течение сотен тысяч лет. Эта первичная среда представляла собой плазму, в которой были смешаны массивные частицы темной материи, атомные ядра и свободные электроны, погруженные в море фотонов. Последние служили носителями электромагнитного поля и вступали в реакции со свободными электронами, которые рассеивали их во все стороны. Средний путь фотона от рассеяния к рассеянию был совсем невелик. Поэтому Вселенная в этой фазе была непрозрачна, напоминая густой туман, в котором свет повсеместно отражается каплями воды.

До того момента, как в результате расширения Вселенной ее температура упала ниже порога в три тысячи кельвинов, фотоны вели себя достаточно агрессивно, разрушая связи, которые электроны пытались завязать с атомными ядрами во время коротких встреч. Температура упала ниже пороговых значений только через триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва, и только тогда фотоны утратили способность мешать электронам устанавливать длительную связь с ядрами. Первыми образовались атомы лития и гелия, а вслед за ними – атомы водорода. За очень короткое время большинство электронов оказались связанными внутри атомов.

В этом пространстве, где свободных электронов почти не было, фотоны смогли пролетать расстояния большие, чем размеры наблюдаемой Вселенной, и она стала прозрачной. Это внезапное преображение получило название «рекомбинация», хотя оно совершенно не соответствует сути явления – ведь электроны и атомные ядра соединились впервые.

Итак, по Вселенной смогло распространиться излучение, возникшее в момент, который предшествовал рекомбинации: излучение непрозрачной среды, разогретой до температуры выше трех тысяч кельвинов. Основная длина волны этого излучения была равна примерно тысяче нанометров. Длина волны привязана к ткани Вселенной, поэтому она увеличивается по мере расширения пространства. В наше время это излучение обнаруживается на волнах длиной в два миллиметра – такие волны испускает непрозрачное тело, разогретое до температуры около трех тысяч кельвинов. Такое излучение присутствует во Вселенной повсюду в виде фона, и его интенсивность не зависит от направления. Это фоновое излучение несет в себе образ Вселенной в эпоху рекомбинации. До этого все первичное пространство пронизывали акустические волны, подобные звуковым волнам в воздухе. После рекомбинации эти колебания прекратились, но их следы позволяют судить о мельчайших фоновых колебаниях температуры, запечатлевших крупномасштабную структуру Вселенной.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

Космологические радиопомехи (1964)

Вселенная упорядочивается

Астрофизики, изучив карту распределения отклонений температуры, созданную с помощью европейского космического зонда «Планк», пришли к выводу, что в эпоху так называемой рекомбинации, ключевой фазы, последовавшей за Большим взрывом и сделавшей Вселенную прозрачной, пространство было поразительно однородным. Современную Вселенную на очень больших масштабах тоже можно считать однородной, но в рамках небольших объемов это вовсе не так. Последние астрономические открытия показали, что во Вселенной огромные структуры граничат с не менее огромными бездонными пустотами.

Каким же образом бывший столь однородным спустя четыреста тысяч лет после начала расширения мир стал неоднородным, а материя сконденсировалась в звездах и галактиках, которые, в свою очередь, сформировали скопления и сверхскопления, разделенные огромными пустотами? Астрофизики очень давно пытаются восстановить историю этого процесса. Они неплохо понимают первичное состояние Вселенной, отраженное в данных, собранных зондом «Планк», и ее конечное состояние, о котором рассказывают последние открытия.

Сегодня астрофизики, выполнив с помощью самых мощных на планете компьютеров моделирование процессов, происходивших во Вселенной, могут описать основные этапы развития Вселенной после рекомбинации.

Далее в нашем рассказе мы отбросим хронологическую систему, которой пользовались до сих пор, и вернемся к обычному человеческому календарю. Однако внимание: доказав универсальность и неизменность скорости света, Эйнштейн лишил время свойств абсолюта, которые приписывали этому физическому параметру ученые XIX века. Наша хронология подходит только для землян и ни в коем случае не имеет отношения к идее универсального времени. Если нашу книгу вдруг переиздадут в другой галактике, хронологию событий придется переделать…

13,7 миллиарда лет назад

Темные века

Когда через триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва Вселенная стала прозрачной, она была все еще очень плотной и очень горячей. И она была практически однородной – плотность материи сохранялась почти неизменной в любой точке пространства. Ситуация кардинально отличалась от той, что мы наблюдаем сегодня: Вселенная нынче кажется нам неоднородным нагромождением небесных тел. Галактики, звезды которых плавают в достаточно плотном межзвездном пространстве, соседствуют с зияющей пустотой. Переход от одного состояния к другому, как бы «подростковый» период Вселенной, закончился тогда, когда барионная материя сконденсировалась в процессе образования первых звезд. До этого, в течение двухсот миллионов лет после рекомбинации, во Вселенной царил мрак: по мере охлаждения пространства свет постепенно исчезал, все его источники гасли; именно поэтому этот период получил название «темных веков».

Каким же образом Вселенная умудрилась из примитивного первичного состояния перейти к удивительному разнообразию наших дней? Поразительное многообразие форм присуще прежде всего наблюдаемой материи – барионной, которой во Вселенной не так уж и много. Гораздо в больших количествах повсюду присутствует материя темная, чья природа до сих пор неизвестна. До рекомбинации образование флуктуаций плотности блокировалось взаимодействием между материей и излучением, о чем свидетельствуют наблюдения фонового реликтового излучения. Но стоило ядрам и электронам объединиться в атомы, как сразу появилась почва для образования этих начальных флуктуаций – Вселенная стала нейтральной. Изобилие темной материи привело к тому, что начальные флуктуации плотности быстро начали концентрироваться под влиянием собственной гравитации.

Уплотняясь и коллапсируя, темная материя увлекала за собой барионную. Таким образом, начали формироваться небольшие сгустки размером с карликовую галактику. Переварившись в тигле темной материи, барионная материя концентрировалась и одновременно фрагментировала, образуя звезды. Они начинали светиться, и по Вселенной поплыли волны ультрафиолетовых излучений, готовых вновь снять шкурку с атомов, остававшихся нейтральными после рекомбинации. Началась настоящая реионизация среды, распространявшаяся от одного атома к другому. Темные века закончились примерно через двести миллионов лет. Вселенная пришла в состояние, в котором мы ее знаем, и для него характерно огромное разнообразие звезд.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Возникновение материи (10^–12 секунд после начала расширения)

Материя побеждает антиматерию (10^–6 секунд после начала расширения)