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

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)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

Рождение самой древней из известных звезд (13,6 миллиарда лет назад)

13,7 миллиарда лет назад

Образование крупных структур

Компьютерное моделирование позволяет проследить, как из первичных неоднородностей плотности сформировались крупные структуры, и создать модели, очень близкие к реально наблюдаемым.

Большинство космологов полагает, что особенности эволюции Вселенной, начиная с фазы рекомбинации и образования крупных структур, вплоть до наших дней, лучше всего объясняются с помощью предположения о существовании во Вселенной большого количества темной материи. Ее намного больше, чем материи барионной; она предположительно состоит из массивных частиц, движущихся с очень небольшими, по сравнению со скоростью света, скоростями. Цифровое моделирование, применяемое все шире и активнее, позволяет получить весомые аргументы в пользу этого предположения. Эта модель получила название «холодной темной материи», и оно связано с предположением о низкой скорости движения ее частиц.

Когда развитие физической системы необходимо описать уравнением, нужно определить ее начальное и конечное состояния. Именно так обстоит дело и со Вселенной, с ее превращениями с момента рекомбинации до наших дней. Для того чтобы определить исходное состояние системы, достаточно обратиться к данным, полученным при наблюдениях реликтового фонового излучения; самые точные данные были получены европейским космическим зондом «Планк». Что же касается конечного состояния, то его можно определить из последних астрономических наблюдений. С помощью цифрового моделирования на самых совершенных компьютерах, какими располагает международное научное объединение Virgo, космологи смогли описать эволюцию Вселенной от момента возникновения мельчайших флуктуаций плотности в эпоху рекомбинации до наблюдаемого тринадцать миллиарда лет спустя состояния, когда материя сконцентрировалась в галактики, сгруппированные в скопления, в узлы гигантской космической сети, разделенные зияющими между ними огромными пустотами.

Финальный результат моделирования коллективом Virgo эволюции вырезанного из Вселенной куба со сторонами длиной более двух миллиардов световых лет. В 2005 году космологи Virgo, используя одно из самых мощных вычислительных устройств на планете, реконструировали эволюцию двадцати миллионов галактик, рассеянных в этом невероятном по объему пространстве.

Моделирование отводит холодной темной материи весьма важное место: получается, что первыми структурами, которые сформировались за сто миллионов лет, стали протогалактики массой порядка ста миллионов солнечных масс. Эти объекты пережили впоследствии череду слияний, приведших к образованию галактик, средняя масса которых достигала ста миллиарда солнечных масс. Британский астрофизик Мартин Рис вместе с другими учеными активно пропагандируют эту гипотезу, получившую название «восходящей эволюции структур», в ходе которой формируются все более и более массивные объекты. Гипотеза, использующая противоположную модель «горячей темной материи» и получившая название «нисходящей эволюции», практически ушла с научных горизонтов еще в 1980-е годы, поскольку она вошла в глубокое противоречие с данными современных астрономических открытий.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Возникновение материи (10–12 секунд после начала расширения)

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

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч после начала расширения)

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

13,6 миллиарда лет назад

Рождение самой древней из известных звезд

Звезда второго поколения зажглась в одной из протогалактик, сливавшихся друг с другом при образовании будущего Млечного Пути. Это одна из самых древних из всех известных звезд.

Работая в обществе, где всем заправляет логика продвижения личных достижений, ученые больше не стесняются производить сенсации. Они рассчитывают таким образом привлечь внимание организаций, готовых финансировать их исследования. Астрофизики тоже принимают участие в этом соревновании и активно распространяют громкие новости о необычных небесных объектах, таких, например, как первые звезды, которые начали светить еще в темные века. Появление звезд ознаменовало важный поворот в истории Вселенной. Именно внутри них начался синтез химических элементов, разнообразие которых прежде, в эпоху первичного ядерного синтеза, исчерпывалось гелием.

В одной из протогалактик, находившейся в процессе слияния с другими – такие же процессы гораздо позже привели к образованию и нашего Млечного Пути, – сформировалась первая россыпь звезд. Они образовались из газообразных водорода и гелия, единственных элементов, порожденных Большим взрывом. Самые массивные звезды, длительность жизни которых была относительно короткой, обогатили эту среду первыми «металлами», произведенными в их недрах. Астрофизики называют металлами все элементы, отличающиеся от гелия и водорода (хотя с химической точки зрения углерод или кислород к металлам не относятся), а их относительное содержание в газовом облаке именуют «металличностью». Новые поколения звезд формировались в среде, которая характеризовалась очень невысоким уровнем металличности. Наименее массивные