Естествознание.ру
Краткая история Вселенной
Итак, примерно 13,8 миллиардов лет назад произошел Большой взрыв, и 13,8 миллиардов световых лет — это горизонт видимости во Вселенной. Самые дальние объекты, которые астрономам уже удалось разглядеть, это несколько звездных скоплений на расстоянии 13,2 миллиардов световых лет. Таким образом, мы «получили привет» от молодой Вселенной, возраст которой был всего 600 миллионов лет!
В принципе, мы могли бы заглянуть еще чуть дальше — вплоть до возраста 379 тысяч лет после Большого Взрыва. Почему именно такая цифра? Скоро узнаем.
Современные теории позволяют описать всё, что происходило, начиная от одной сотой секунды от Большого взрыва и до сего дня. Все нужные для этого законы являются надежно установленными, поэтому получаемую с их помощью информацию можно считать вполне достоверной. Принципиальные трудности возникают лишь при попытке продвинуться еще ближе к началу мира, то есть внутрь первой сотой доли секунды. Здесь мы выходим за рамки Стандартной модели и попадаем в область гипотетических теорий. И тем не менее научные гипотезы простираются вплоть до 10 -35 с! Ещё ближе к началу мира, возможно, позволит в будущем приблизиться теория суперструн.
Давайте «прокрутим» основные события от Большого взрыва и до нашей эпохи. Итак.
Большой взрыв. По каким бы причинам ни возникла Вселенная, она начинает свою жизнь с планковского размера по всем измерениям (порядка 10 -35 м) и планковской температуры (порядка 10 32 К).
В этот начальный момент все 9 или 10 пространственных измерений свернуты в комок. Но уже через планковский квант времени (5×10 -44 с) три пространственных измерения начинают расширяться, а оставшиеся сворачиваются определенным образом (свойства свернутых измерений определяют все фундаментальные константы нашего мира, а значит, и то, какие именно частицы потом в нем родятся).
Разворачивание трех пространственных измерений подстегивается само собой и становится скачкообразным. Этот этап расширения Вселенной, называют инфляционным, оно происходит во много раз быстрее обычного хаббловского расширения. Примерно за 10 -32 секунды Вселенная раздулась в неимоверное число (10 50 ) раз.
Поначалу в горячей Вселенной бурно рождаются как частицы, так и античастицы. На каждый миллиард обычных частиц рождается почти столько же античастиц — но всё же на одну меньше. Затем частицы и античастицы аннигилируют, и вся их энергия превращается в излучение. Во Вселенной остается лишь жалкий клочок обычной материи. Из него-то и будут построены в дальнейшем все звезды и галактики.
К концу первой секунды расширения Вселенная остыла настолько, что кварки начинают группироваться в адроны, включая протоны и нейтроны. И с этого же момента начинается первичный ядерный синтез, который продолжается три минуты. Четверть всех ядер, сформировавшихся за это время — это гелий, чуточку дейтерия, а остальные три четверти — протоны. Таким и будет состав первых звезд.
Через 3 минуты Вселенная расширилась настолько, что столкновения ядер, в результате которых могли бы образовываться новые ядра, становятся огромной редкостью, и синтез ядер прекращается.
К исходу первых трёх минут Вселенная представляет собой раскаленное до миллиарда градусов море частиц — ядер и лептонов. Высокая температура не позволяет им объединиться в атомы. Это состояние раскаленной плазмы.
В следующие 379 тысяч лет ничего заметного не происходит — Вселенная спокойно расширяется и остывает. В этот период она непрозрачна для излучения, потому что фотоны постоянно рассеиваются на свободных электронах и ядрах. Это похоже на «светящийся туман».
Через 379 тысяч лет Вселенная охладилась достаточно (до 3000 градусов), чтобы из ядер и электронов могли образоваться нейтральные атомы. Среда становится прозрачной для света и остается таковой до сих пор. Говорят, что в этот момент излучение отделилось от вещества: с тех пор излучение расширяется и остывает само по себе, а вещество эволюционирует само по себе. Реликтовое тепловое излучение с характерной длиной волны около 4 см — это и есть то самое отделившееся излучение.
После отделения излучения от вещества началась тёмная эпоха — звезд еще не было, и светить было некому. На протяжении сотен миллионов лет вещество стягивалось к местам случайных первоначальных сгустков темной материи.
Через 600 миллионов лет после Большого взрыва стали формироваться галактики. Плотные и холодные облака газа сжимались, разогреваясь изнутри — и вот зажглись первые звезды. В их недрах начался синтез более тяжелых элементов, вплоть до железа. Через пару миллиардов лет Вселенная стала отдаленно напоминать то, что мы видим сегодня.
Массивные звезды первого поколения кончали свои жизни грандиозными взрывами, во время которых возникли элементы тяжелее железа. Потом из этого вещества сформировались звездные системы второго поколения, в том число и наша.
Процесс звёздообразования продолжается и сейчас, хотя темп его постепенно замедляется, поскольку запасы межзвездного вещества расходуются быстрее, чем пополняются.
Что касается нашего Солнца, то про его будущее можно сказать достаточно определенно. Солнце принадлежит к классу желтых карликов — спокойных долгоживущих звёзд. Уже около 5 млрд. лет оно светит, практически не меняясь. Но это может закончиться уже через 0,5 — 1 млрд. лет, когда водород в ядре звезды выгорит и зона термоядерного синтеза переместится в слои вокруг ядра. Это приведёт к «раздуванию» Солнца — оно превратится в красного гиганта. Через 4 миллиарда лет Солнце раздуется так, что поглотит Меркурий, Венеру и почти достигнет орбиты Земли. На Земле вся вода испарится, а большая часть атмосферы рассеется в космическое пространство. Ничего живого, понятное дело, не останется. А в ядре Солнца гелий начнет превращаться в углерод. Когда же и гелий «выгорит», Солнце может взорваться, сбросив свою распухшую оболочку. Оставшееся после взрыва компактное ядро (белый карлик) будет постепенно остывать, превращаясь в холодное безжизненное тело.
А что касается возможного развития Вселенной в будущем, то имеются самые разные сценарии. Теоретики, например, рассматривают гипотезу «Большого разрыва», связанного с изменением состояния вакуума, в момент которого наша Вселенная исчезнет за одно мгновение. Но это не очень скоро — через 22 млрд. лет, и не наверняка.
Если же такого не произойдет, то через сотни миллиардов лет погаснут последние звезды, и галактики погрузятся во тьму. Все планетные системы будут постепенно разрушены. Вероятно, галактики превратятся в гигантские черные дыры. В результате квантового процесса «испарения» черные дыры в конце концов тоже исчезнут, и Вселенная будет представлять собой расширяющийся нейтринно-фотонный газ. В общем, совершенно безрадостная картина.
Но история космологии уже неоднократно демонстрировала нам, что картины, нарисованные совсем недавно, неожиданно оказываются устаревшими.
Реальность бесконечно разнообразнее и интереснее наших сегодняшних представлений о ней. Работы для физиков и космологов — непочатый край!
Источник
Как рождалась Вселенная?
Ученые считают, что Вселенная существовала не всегда. На самом деле у нее было начало. Теория Большого взрыва — это попытка объяснить, что же произошло в тот момент, до которого ничего не было.
«Ничего» в предыдущем предложении фактически означает следующее: до возникновения Вселенной не было ни пространства, ни времени… Вообще ничего. Почему наша Вселенная вдруг возникла из этого небытия, неизвестно. И это приводит к мыслям о том, было ли это событие вообще случайным. Большой взрыв — это то место, где наука встречается с религией.
Хотите верьте, хотите нет, но большинство самых важных событий произошло до того, как Вселенная имела возраст в одну секунду.
Планковская эпоха
Примерно 13,7 миллиарда лет назад наша Вселенная вдруг возникла. Внезапно. Из ничего. Считается, что изначально это была бесконечно горячая и бесконечно плотная точка.
Считается также, что четыре фундаментальные силы Вселенной (гравитация, электромагнитная сила, слабая ядерная сила и сильная ядерная сила) были объединены в это время в одну универсальную силу.
Эта «эпоха» длилась всего одну единицу времени Планка. Это наименьшая возможная единица времени. Она равна одной тысячной миллионной миллионной миллионной миллионной миллионной миллионной доле секунды. В конце этого отрезка времени Вселенная имела одну длину Планка в поперечнике. И содержала все ингредиенты, необходимые для создания Вселенной такой, какая она есть сегодня.
Эпоха Великого Объединения
Наверное немного неправильно называть подобные периоды «эпохами». Так как например эта длилась всего одну шестую секунды. Но в течение этого крохотного отрезка времени во все еще микроскопической Вселенной произошло одно очень важное событие. Сила тяжести отделилась от трех других фундаментальных сил.
Имеющая изначально невероятную температуру Вселенная начала остывать. И это способствовало появлению элементарных частиц и античастиц.
Кроме того, в конце этой короткой эпохи сильная ядерная сила также отделилась от остальных. И это предвещало начало следующей эпохи.
Инфляционная эпоха
Продолжительность этой эпохи доподлинно не установлена. Но многие считают, что ее длительность равнялась одной тринадцатой секунды. Отделение силы сильного взаимодействия привело к расширению микроскопической Вселенной в 100 миллионов миллионов миллионов раз! Хотите верьте, хотите нет, но после этого ее ширина составляла уже около 10 сантиметров! После этого она начала расширяться со скоростью, превышающей скорость света. Это событие ни в коем случае не нарушает правила, установленные Эйнштейном. Поскольку расширялось в данном случае само пространство.
Электрослабая эпоха
Этот период начался одновременно с инфляционной эпохой. Но длился почти полсекунды. К этому времени Вселенная охладилась до 10 000 миллионов миллионов миллионов градусов Кельвина, что позволило появиться так называемым «экзотическим» частицам. Появляются гипотетические W и Z бозоны, функция которых, как считается, заключается в управлении слабой ядерной силой. Также в это время в игру вступает поле Хиггса. Это теоретическая энергетическая сила, которая придала массу этим бозонам. Это событие превратило Вселенную, полностью состоящую из излучения, в такую, которая может иметь материю — звезды и галактики будущего.
Кварковая эпоха
Эта эпоха длилась около одной седьмой секунды. И к этому времени Вселенная охладилась до 10 миллионов миллионов миллионов градусов. Образовалось большое количество кварков, электронов и нейтрино, каждая из этих частиц имела соответствующую античастицу. Несмотря действие поля Хиггса, придающего массу определенным частицам, созданию материи препятствовал тот факт, что частицы и античастицы уничтожают друг друга при контакте. Но все же, что очевидно, материя была создана. Ведь мы ее наблюдаем. Считается, что по какой-то таинственной и неизвестной причине в это время было создано немного больше барионов, чем антибарионов. Избыток был небольшим. Не более трех частиц на миллион. Но этого оказалось достаточно.
Адронная эпоха
Удивительно, но мы еще не достигли и одной секунды после Большого взрыва! Эта веха была достигнута именно в эту эпоху. Она имела продолжительность, аналогичную предыдущей. К этому времени температура Вселенной опустилась примерно до одного триллиона градусов. И это позволило кваркам объединяться в адроны. Это собирательное название для таких частиц, как протоны. Свободные электроны сталкивались с ними и образовали нейтроны. К этому времени Вселенная расширилась до одного миллиарда километров в поперечнике.
Лептонная эпоха
Все начинает потихоньку успокаиваться. Эта эпоха длится целых три минуты! Чем холоднее становится Вселенная, тем труднее происходит процесс появления элементарных частиц. К этому времени все адроны и антиадроны из предыдущей эпохи уничтожили друг друга. Во Вселенной стало много лептонов (электронов и позитронов). Эти частицы начали сталкиваться и уничтожать друг друга. В результате чего высвободилась энергия в виде фотонов света.
Нуклеосинтез
В течение следующих 17 минут температура упала до одного миллиарда градусов. В таких условиях возможен ядерный синтез. Протоны и нейтроны стали объединяться, образуя ядра простых элементов, таких как водород, гелий и литий. Эта эпоха закончилась, когда температура упала до такой степени, что ядерный синтез перестал быть возможным.
Фотонная эпоха
А вот эта эпоха длилась около 240 000 лет! В этом большом промежутке времени Вселенная сильно остыла. К этому времени она состояла из плазмы, состоящей из атомных ядер, сформировавшихся в период нуклеосинтеза, и свободных электронов. Хотя доминирующей энергией в эти времена обладали фотоны, они все еще были связаны с этими другими элементарными частицами, непрерывно взаимодействуя с ними.
Рекомбинация
Этот период длится около 60000 лет. К этому моменту Вселенная остыла до 3000 градусов. Атомные ядра начали объединяться со свободными электронами, образуя такие элементы как водород, гелий и литий. Это действие нейтрализовало электрический заряд электронов. И они освободили фотоны света. Эти частицы были обнаружены земными учеными в форме космического фонового излучения. К этому времени Вселенная состоит на три четверти из атомов водорода и на четверть из гелия. И еще здесь есть немного лития.
Темная эра
В течение следующих 150 миллионов лет Вселенная находилась в «темном» состоянии. Хотя фотоны существуют, они обнаруживаются только как излучение, а не как свет. В этот период ничего особенного не происходит. Кроме постоянного расширения и охлаждения. В этот период во Вселенной, похоже, доминирует таинственная «темная материя».
Реионизация
Но примерно через 150 миллионов лет после Большого взрыва что-то начинает происходить. Гравитационный коллапс приводит к образованию квазаров. Это событие, в свою очередь, реионизирует окружающую Вселенную. Этот период длится примерно один миллиард лет. И это создает условия для формирования звезд и галактик.
Звездная эра
Примерно через 300 миллионов лет после Большого взрыва условия стали благоприятными для появления первых звезд. Плазменный суп, пронизывающий Вселенную, имел небольшие неравномерности в своей плотности. Поэтому гравитация сделала свое дело, сжимая облака космического газа. По мере того, как они становились все более и более плотными, где-то появилась точка, в которой стал возможным ядерный синтез. Появились самые первые звезды, красные гиганты. Они известны нам как звезды «Населения III». Они полностью состояли из легких элементов. Жили они немного. И заканчивали свое существование сверхновыми, создавая и распространяя более тяжелые элементы по всей Вселенной. Присутствие этих элементов, таких как углерод, азот, кислород, кремний, магний и железо, прокладывало путь к рождению большего количества звезд следующих поколений. По мере того, как все больше и больше рождалось подобных звезд, они начали объединяться в галактики. И примерно через 500 миллионов лет после Большого взрыва Вселенная, наконец, появилась в видимом диапазоне.
Источник