7.3. Модель горячей Вселенной


7.3.1. Большой Взрыв

Изложенные в разделе 7.2 соображения положены в основу современной теории происхождения и эволюции Вселенной – теории Большого Взрыва, или теории Горячей Вселенной.

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд. лет назад из некоторого начального «сингулярного» горячего состояния с температурой более 1032 K (планковская температура) и плотностью более 1094 г/см3 (планковская плотность), и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. В «истории» Вселенной принято выделять несколько эпох.

Ранняя Вселенная (Планковская эпоха) представляла собой в высокой степени однородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.

Начало расширения Вселенной условно называют Большим Взрывом. Неверно представлять начало эволюции Вселенной – Большой Взрыв – как процесс, происходивший во времени и пространстве. Большой Взрыв дал начало времени и породил пространство, и дальнейшее расширение Вселенной – это расширение именно пространства Вселенной, в котором существует материя Вселенной.

В течение 10−43–10–35 с после Большого Взрыва (эпоха Великого объединения) происходит отделение гравитационного взаимодействия от остальных фундаментальных взаимодействий.

7.3.2. Космическая инфляция

В период времени 10−35–10−31 с происходит экспоненциальное расширение Вселенной, или космическая инфляция.

Расчёты позволяют утверждать, что при температуре 1032 K и плотности 1094 г/см3 в веществе возникает отрицательное давление, и в подобных условия гравитация неизбежно должна была приводить не к притяжению, а к взаимному отталкиванию частиц.

Этап космической инфляции необходим для объяснения ряда наблюдательных фактов. Так, в начале этой эпохи в наблюдаемую сейчас часть Вселенной должно было входить примерно 1090 причинно-несвязанных областей. Тогда для объяснения наблюдаемой однородности и изотропности Вселенной при отсутствии эпохи инфляции необходимо допустить одинаковость физических условий в гигантском числе причинно-несвязанных областей пространства. Если же допустить существование эпохи инфляции, то вся наблюдаемая сейчас Вселенная «выросла» только из одной причинно-связанной области.

7.3.3. Электрослабая эпоха и эпоха кварков

Затем (10–31–10–12 с) наступает электрослабая эпоха. Вещество Вселенной представляет собой кварк-глюонную плазму («кварковый суп»). К моменту окончания эпохи кварков (10–12–10–6 с) разделяются все известные взаимодействия (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное).

7.3.4. Эпоха адронов и зарядовая (барионная) асимметрия

В эпоху адронов (10–6–1 с) начинается процесс «рождения» элементарных частиц и их непрерывного взаимопревращения. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны.

При этом одновременно происходило асимметричное образование как частиц материи, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение. Без едва заметной зарядовой асимметрии (отличия количества частиц и античастиц) Вселенная вообще оказалась бы лишённой вещества.

Из наблюдений реликтового фона следует, что во Вселенной на один нуклон приходится примерно 109 фотонов. Если считать, что большая часть фотонов возникла в процессах аннигиляции, то первоначальный избыток частиц над античастицами составлял примерно одну миллиардную долю. Вероятно, зарядовая асимметрия возникла в результате спонтанного нарушения CP-инвариантности или CP-симметрии (Charge-Parity symmetry).

Адронная эпоха завершается при температуре 3 × 1012 К и плотности 1016 г/см3.

7.3.5. Эпоха лептонов и «отрыв» реликтовых нейтрино

В эпоху лептонов (1–10 с) Вселенная состоит преимущественно из положительных и отрицательных мюонов, нейтрино и антинейтрино, позитронов и электронов, а нуклоны сравнительно редки.

По мере дальнейшего расширения Вселенной происходит аннигиляция мюонов, а также электронов и позитронов. Когда плотность Вселенной уменьшается до 107 г/см3, вещество становится прозрачным для нейтрино (т.е. прекращается взаимодействие нейтрино и частиц вещества), и происходит «отрыв» нейтрино. К настоящему времени тепловые энергии таких реликтовых нейтрино значительно уменьшились и должны соответствовать температуре около 2 К.

7.3.6. Эпоха излучения и нуклеосинтез

Примерно через 10 с после Большого Взрыва температура падает до 1010 К, и начинается эпоха излучения (10 с – 380000 лет). На этом этапе по численности преобладают фотоны, которые ещё взаимодействуют с веществом (т.е. вещество ещё непрозрачно для излучения), а также нейтрино, которые уже оторвались от вещества.

По истечении около 100 с после Большого взрыва начинаются первые процессы нуклеосинтеза. Некоторая часть протонов успевает соединиться с нейтронами и образовать ядра гелия. В них перешло около 10% общего числа протонов. В течение следующих 380000 лет происходит активный нуклеосинтез гелия, дейтерия, лития-7. Практически весь гелий, существующий во Вселенной в настоящее время, образовался именно в эту эпоху.

7.3.7. Рекомбинация водорода и эпоха вещества

Вещество начинает доминировать над излучением спустя примерно 70000 лет после Большого Взрыва, что приводит к изменению режима расширения Вселенной. В конце эпохи излучения (380000 лет) происходит рекомбинация водорода (протоны объединились с электронами в нейтральные атомы), и Вселенная становится прозрачной для фотонов теплового излучения.

Температура Вселенной составляет около 3000 К, и наступает эпоха вещества. С этого момента фотоны перестали рассеиваться теперь уже нейтральными атомами и смогли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Наблюдаемая сфера, соответствующая данному моменту, называется поверхностью последнего рассеяния. Это – самый удалённый объект, который можно наблюдать в электромагнитном спектре. В результате дальнейшего остывания этого (реликтового) излучения за счёт красного смещения, его температура снизилась и сейчас составляет 2,725 К.

I Zwicky 18 – самая «молодая» галактика. Находится на расстоянии всего 45 млн. св. лет, её возраст – всего 500 млн. лет

7.3.8. «Тёмные века»

Следующие 150 млн. лет в истории Вселенной принято называть «Тёмными веками», поскольку Вселенная заполнена остывающими нейтральными водородом и гелием, а также реликтовым излучением. Звёзды ещё не образовались, и поэтому водород излучает только на длине волны 21 см. Это излучение обусловлено переходами между компонентами сверхтонкой структуры основного состояния 12S½ атома водорода.

Ранняя (~ 1 млрд. лет от момента Большого Взрыва) Вселенная (рисунок)

7.3.9. Реионизация водорода и образование структуры Вселенной

Спустя примерно 150 млн. лет после Большого Взрыва начинается формирование первых звёзд, квазаров, галактик, скоплений и сверхскоплений галактик – происходит реионизация водорода и образование структуры Вселенной.

Начало формирования нашей Галактики связывают с истечением примерно 0,5 млрд. лет после Большого Взрыва. Межзвёздное газопылевое облако, давшее начало Солнечной системе, начало формироваться спустя примерно 8,9 млрд. лет после Большого Взрыва (4,8 млрд. лет назад).

7.3.10. Основные этапы эволюции Вселенной

Эпоха Время от «начала» Этап эволюции Температура, К Плотность, г/см3

Планковская

Неизвестные законы физики, квантовые свойства пространства-времени

?

?

Великого объединения

10–43 с

Граница применимости релятивистской теории тяготения; отделение гравитационного взаимодействия

1032

1094

Космической инфляции

10–35 с

Экспоненциальное «раздувание» Вселенной

1028

1078

Электрослабая

10–31 с

Сильное взаимодействие отделяется от электрослабого

1015

1040

Кварков

10–12 с

Разделение всех известных взаимодействий

1013

1019

Адронная

10–6 с

Возникновение зарядовой асимметрии; аннигиляция нуклонов и антинуклонов

2×1012

1016

Лептонная

10–4 с

Граница применимости экспериментально проверенных законов физики

1012

1014

10–3 с

Аннигиляция мезонов

3×1011

1012

0.2 с

Образование реликтовых нейтрино

2×1010

107

Излучения

10 c

Аннигиляция электронов и позитронов

1010

104

100 c

Образование первичного гелия

108

102

Вещества

380 000 лет

Отрыв реликтового излучения от вещества

3×103

10–20

109 лет

Начало возникновения звёзд и галактик

30

10–26

1–2×1010 лет

Современная эпоха

2.7

10–29
10–30


7.3.11. Звуковые волны в ранней Вселенной и формирование её крупномасштабной структуры

Как уже отмечалось выше, в больших масштабах (более 300 млн. св. лет) Вселенная однородна и изотропна. Тем не менее (и наше собственное существование это подтверждает) в меньших масштабах во Вселенной существуют заметные отклонения от однородности (планеты, звёзды, галактики). В связи с этим следует полагать, что в ранней Вселенной существовали слабые отклонения от однородности и изотропии: в некоторых областях плотность была чуть выше или чуть ниже, чем в среднем. По мере расширения Вселенной контраст между плотными областями (сгущениями) и разреженными возрастал, что в конечном итоге и привело к формированию современной структуры.

Возникновение звуковых волн в ранней Вселенной

На материю, находящуюся на границе сгущения, действуют две силы. Одна из них – направленная внутрь сила тяготения, которая стремится сжать сгусток вещества. Вторая – это сила упругости, направленная вовне, которую создает перепад давления внутри и вне сгустка. Эволюция неоднородности определяется тем, какая из этих двух сил больше.

Если преобладает сила тяготения, то сгущение начинает сжиматься, и в результате этого некогда единое образование фрагментирует и распадается на некоторое количество отдельных сгустков меньшего размера.

Если же сила упругости превышает силу тяготения, то сгущение начинает расширяться. Это расширение не прекращается, когда плотность вещества внутри и вне неоднородности выравнивается, поскольку вещество продолжает двигаться вовне по инерции, сжимая вещество вокруг. С течением времени на месте сгущения окажется разрежение вещества, тогда как вокруг него образуется область повышенной плотности. Это вторичное сгущение начнет расширяться, сжимая окружающее вещество, и т. д. Таким образом, неоднородность плотности превращается в волну сжатия и расширения вещества, т.е. в звук.

Итак, на фоне ранней расширяющейся Вселенной распространяются слабые неоднородности с характерным размером меньше джинсовой длины, которые, по сути, являются звуковыми волнами. Расширение неоднородности с повышенной плотностью отстает от расширения Вселенной. Рано или поздно расширение сгустка останавливается, он начинает сжиматься и в итоге образует гравитационно-связанную систему.

Модель формирования крупномасштабной структуры Вселенной на раннем (а) и более позднем (б) этапах

Поскольку Вселенная расширялась, её параметры, в т.ч. скорость звука и средняя плотность, менялись со временем. В частности, до рекомбинации (первые 380 тыс. лет) во всех движениях принимали участие и свет и вещество, которые были тесно связаны друг с другом. Ранняя Вселенная представляла собой плазму фотонов и барионов, которую можно рассматривать как единую жидкость. В эту эпоху упругость среды определялась светом; а скорость звука была почти равна скорости света (u = c/3½). Поэтому джинсова длина была порядка размера космического горизонта. Все сгущения, помещавшиеся до рекомбинации в пределы горизонта видимости, были звуковыми волнами. После рекомбинации вещество стало прозрачным, все фотоны покинули сгущения, что привело к резкому снижению упругости среды и, следовательно, к уменьшению джинсовой длины. Даже сгущения с массами около миллиона масс Солнца смогли начать сжиматься на фоне общего расширения среды, и только тогда начался процесс формирования структуры Вселенной. Таким образом, наша Галактика, как и другие галактики, а также скопления и сверхскопления галактик, когда-то были звуком.

Сгущения (неоднородности с повышенной плотностью материи) с массой больше джинсовой должны расширяться медленнее, чем Вселенная в целом. Очевидно, что области, где плотность материи была чуть меньше средней, наоборот, расширялись чуть быстрее, чем Вселенная в целом. Таким образом, собственная скорость вещества на границе областей с повышенной плотностью (области 1) направлена внутрь неоднородностей, тогда как на границе областей с пониженной плотностью (области 2) – наружу. Области 1 и 2 отделены друг от друга областями пространства, где плотность материи равна средней (области 3).

Согласно космологическому принципу, области с повышенной и пониженной плотностями были распределены в ранней Вселенной хаотично, поэтому так же были распределены и собственные скорости. Очевидно, что доля общего объема Вселенной, занимаемого областями 2, должна с течением времени возрастать, а областями 1 – убывать. Поэтому с течением времени области 3 должны вытягиваться, образуя в конечном итоге тонкие нити. Эта простая модель позволяет в общих чертах прояснить принцип формирования крупномасштабной структуры Вселенной.

7.3.12. Тёмная материя в ранней Вселенной

Важную роль в развитии гравитационной неустойчивости в расширяющейся Вселенной играла тёмная материя. Поскольку она состоит, вероятно, из слабо взаимодействующих частиц, давление излучения не могло препятствовать образованию огромных облаков тёмной материи. Эти облака явились «потенциальными ямами», которые после рекомбинации послужили зародышами для конденсации газа. Массы облаков тёмного вещества зависели от масс составляющих их частиц.

Если скрытая материя состоит в основном из горячей тёмной материи (нейтрино), то массы облаков должны примерно соответствовать массам сверхскоплений галактик. В этом случае первыми образовывались протосверхскопления галактик, которые затем из-за гравитационной неустойчивости распадались на протоскопления и протогалактики (эволюция «сверху вниз»). В настоящее время такое развитие событий представляется маловероятным, поскольку в моделях с горячей тёмной материей галактики должны формироваться очень поздно, при красных смещениях z = 1–2. Так как сейчас открыто много гораздо более далёких галактик и квазаров, то становится очевидным, что горячей тёмной материи недостаточно для формирования галактик.

Если же скрытая материя состоит в основном из частиц более высокой массы, чем масса нуклонов (холодная тёмная материя), то массы облаков были гораздо меньше масс отдельных галактик. В этом случае первыми образовывались объекты типа звёздных скоплений, которые затем объединялись в системы более высокого уровня (эволюция «снизу вверх»). Этот сценарий сейчас считается наиболее вероятным. В его пользу также свидетельствуют размеры попавших в обзор HUDF далёких (около 13 млрд. св. лет), т.е. молодых, галактик. Они имеют меньшие размеры по сравнению с современными звёздными системами.

Дополнительная литература:

Я.Б. Зельдович. "Горячая" модель Вселенной

С. Вайнберг. За рубежом первых трёх минут

А.Д. Линде. Раздувающаяся Вселенная