Вселенная с нуля. От Большого взрыва до абсолютной пустоты - Жак Поль

– композитные частицы из трех кварков, свободные нейтроны и протоны. Эти последние одновременно представляли собой ядра атомов водорода; их можно было бы назвать «водород-1», по имени самого известного изотопа водорода. В самом начале водород-1 преобладал во Вселенной (92 % всех ядер), а затем немного уступил гелию (8 % всех ядер), в основном – разновидности гелий-4.

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

Первичная среда, лишенная свободных электронов, пропускает излучение, которое наполняет всю Вселенную. Это реликтовое космическое излучение было обнаружено космическим зондом «Планк».

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

Небольшие флуктуации температуры, наблюдаемые на картах реликтового излучения, свидетельствуют о сгустках сверхплотной материи, которые несли в себе зародыши будущих крупных структур Вселенной.

Когда через триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва