10.2. Эволюция Вселенной

В начале своей эволюции Вселенная проходит, согласно современным космологическим представлениям, инфляционную эпоху стремительного “раздувания”, затем Вселенная вступает в период непрерывно продолжающегося до настоящего времени расширения, которое сдерживается силами тяготения вещества Вселенной (табл. 10.1). После инфляционного раздувания, длившегося 10^34 с, вакуумно-подобное состояние первичной материи исчезло, уступив место горячей плазме, состоящей из всех фундаментальных частиц и античастиц, среди которых присутствовали кварки и антикварки. Эта кратковременная эпоха, когда существовала сверхгорячая (Т10²⁷ К) и сверхплотная плазма (10⁸⁸), имела определяющее значение для дальнейшей судьбы Вселенной. Именно в эту эпоху возникло незначительное превышение кварков над антикварками, что сделало возможным существование нашей барионной Вселенной. Состояние ранней Вселенной стремительно трансформировалось за счет распада тяжелых частиц и вследствие взаимодействия кварков и лептонов, а не сохранение барионного числа при этом и породило тот незначительный избыток кварков над антикварками (10⁺⁹), который в последующем и определил барионное число Вселенной, равное 10⁷⁸. При дальнейшем расширении и охлаждении Вселенной кварковая плазма испытывает фазовый переход в адронную фазу, состоящую из кварков. По истечении 0,3 с после начала расширения все вещество Вселенной становится прозрачным для нейтрино, они перестают взаимодействовать с остальным веществом. Число таких нейтрино не меняется. Только в процессе расширения Вселенной их энергия из-за красного смещения должна упасть, как энергия и температура квантов электромагнитного излучения - фотонов реликтового излучения.

Еще раньше при t0,01 с после расширения Вселенной она стала прозрачной для мюонных-, тау-нейтрино и их античастиц. А еще много раньше при t10^43 с Вселенная стала прозрачной для гравитонов.

Таблица 10.1

По мере дальнейшего остывания вещества происходит аннигиляция частиц и античастиц, нестабильные частицы распадаются, в результате чего из всех адронов выживает лишь тот относительный избыток протонов и нейтронов, который обязан первоначальному превышению кварков над антикварками. Это произошло примерно через 1 с после “Большого Взрыва”.

Относительное содержание нейтронов “застывает” на значении  0,15. После этого создаются условия для начала первичного термоядерного нуклеосинтеза.

В течение последующих 100 с в протон-нейтронной плазме оказывается возможным образование ядер водорода, гелия, лития. Однако из-за дальнейшего понижения температуры и плотности вещества становится невозможным синтез более тяжелых элементов. Это происходит примерно через 300 с после начала расширения Вселенной. В этот момент вещество ранней Вселенной состояло в основном из водорода (75%) и гелия (25%).

Через миллион лет после начала расширения образуются нейтральные атомы, и Вселенная стала прозрачной для фотонов. Эпоха фотонной эры длилась 10⁹ лет. После этого стали возникать зародыши первых будущих космических структур. Теория “горячей Вселенной” дает предсказание, что в нашу эпоху существует реликтовое электромагнитное излучение во Вселенной с температурой 3-5 К, оставшееся от той эпохи, когда вещество в прошлом было плотным и горячим. Оно было открыто в 1965 г. Отношение числа квантов электромагнитных волн (фотонов) к числу тяжелых частиц характеризует энтропию Вселенной S = 10⁹, и при дальнейшей эволюции Вселенной эта величина практически не меняется.

Если масса нейтрино отлична от нуля (m_  510^32 г), то в сумме они являются главной составной частью массы материи во Вселенной. В этом случае плотность только электронных нейтрино примерно равна критической плотности вещества во всей Вселенной (  10^-29_кр). Это имеет чрезвычайно важное значение для дальнейшей эволюции Вселенной - она начнет сжиматься в далеком будущем.

Масса возникших нейтринных облаков составляет M_ 10¹⁵ М_с (М_с  10³³ г), масса видимого вещества в галактиках много меньше (M_г 10¹³ М_с). Согласно теории “блинов” крупномасштабная структура Вселенной представляет собой ячеистую структуру невидимых нейтринных облаков

Обычное же вещество в виде холодного нейтрального газа состоящего из нейтральных молекул водорода и гелия, начинает сгущаться в поле тяготения нейтринных облаков, из которых впоследствии стали рождаться протозвезды и протогалактики. Таким образом, возникла крупномасштабная структура Вселенной, в которой распределение скоплений галактик носит ячеистый характер. В месте пересечения стенок ячеек возникают скопления и сверхскопления галактик, в стенках ячеек - галактики, а между стенками - космическая пустота. Размеры ячеек 100 Мпк, толщина стенок 3 - 4 Мпк. В масштабах более 200 Мпк Вселенная однородна. Гравитационное сжатие и разогревание вещества в звездах приводят к сложной цепочке термоядерных реакций, а конец эволюции массивных звезд знаменуется новым фазовым состоянием вещества - нейтронными, кварковыми звездами и черными дырами.

К настоящему моменту Вселенная успела расшириться до 610⁹ Мпк или 15 млрд. световых лет и продолжает расширяться. Радиус Вселенной (расстояние до горизонта видимости) определяется тем расстоянием, на которое распространился свет от момента возникновения Вселенной до настоящего времени.

Доплеровское красное смещение света неограниченно нарастает, когда излучающий объект лежит вблизи горизонта видимости, и на самом горизонте видимости оно бесконечно. Следовательно, мы можем видеть конечное число звезд и галактик. В бесконечной Вселенной, заполненной звездами, луч зрения рано или поздно встретит светящуюся поверхность звезды. В этом случае все небо должно сиять как поверхность Солнца или другой звезды.

В действительности из-за наличия горизонта мы видим конечное число звезд, редко разбросанных в пространстве, и ночное небо видится темным.

Вблизи самого горизонта видимости в принципе должно наблюдаться вещество, сохранившееся с того далекого прошлого.

Процессы распада радиоактивных ядер, образующихся в звездных процессах нуклеосинтеза, дают огромное энерговыделение, которое можно наблюдать при вспышках сверхновых звезд.

По теории Зельдовича считается что первоначальные сгущения вещества превращаются со временем в огромные слои газа, которые сравнимы по массе со скоплениями и сверхскоплениями галактик.

По мнению Амбарцумяна ядра галактик состоят из трех компонент: звезд, газа и небольших по размерам сверхмассивных тел.

Масса их равна 10⁹ М_С. Это сверхплотные тела представляют собой новую форму существования материи неизвестную современной физике.

Активность галактик - результат деятельности этих тел. Они способны разделяться на части, удаляющиеся друг от друга с большими скоростями, а также выбрасывать массивные сгустки вещества, струи, кольца и т.д.

На рис. 10.1 приведен снимок радиогалактики "Геркулес А", полученный с помощью радиотелескопа, где отчетливо видно, что эта галактика испускает кольца, предположительно состоящие из субатомных частиц и по размерам, превосходящие нашу Галактику ("Млечный Путь"), а в противоположную сторону испускает мощную струю до расстояний в 510⁵ световых лет, состоящую из неизвестного вещества и голубых сгустков материи размерами с небольшие галактики.

Рис. 10.1

Для этого в ядре галактики должны быть заключены громадные количества энергии.

Кроме пыли и газа межзвездное пространство заполнено космическими лучами, в состав которых входят быстро летящие электроны, ядра различных химических элементов и другие частицы.

Без синтеза ядер химических элементов тяжелее водорода и гелия (оставшихся после “Большого Взрыва”) не могла возникнуть жизнь.

Известно пять видов фундаментальных взаимодействий: информационные, сильные, электромагнитные, слабые и гравитационные. Они проявляются раздельно при малых энергиях, а при больших энергиях - объединяются в единое взаимодействие. Так, при энергиях W 10² Гэв, что соответствует температуре T 10¹⁵ К, объединяются электромагнитные и слабые взаимодействия (такое взаимодействие удалось осуществить).

При энергиях W10¹⁵ Гэв (T10²⁸ К) должно произойти “Великое объединение”, когда сливаются сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия.

При энергиях W10¹⁹ Гэв (T10³² К) к ним присоединяется и гравитационное взаимодействие -“Суперобъединение”.

Согласно теории “Великого Объединения” возможно нарушение закона сохранения барионного числа.

К тому же наблюдается отсутствие симметрии между частицами и античастицами.

Это означает, что темпы реакций с частицами и античастицами протекают по-разному.

Из-за чего появляется небольшой избыток частиц над античастицами.

Частицы и античастицы проаннигилируют в ходе эволюции Вселенной, превращаясь в фотоны, а избыток барионов останется, который является обычным веществом наблюдаемой Вселенной в наши дни.

Это положение объясняет существование большой энтропии Вселенной (S10⁹).

Однородность и изотропность Вселенной в больших масштабах устанавливается по наблюдениям реликтового излучения.

Это излучение приходит на Землю с разных областей космического пространства и имеющего одинаковую интенсивность.

Следовательно, в прошлом, в момент рекомбинации, когда из плазмы, ставшей прозрачной для фотонов, вышли реликтовые фотоны.

Наблюдаемые нами сегодня, далеко разнесенные в пространстве точки имели одинаковые температуру и другие физические свойства.

Каждая точка тогда лежала вне горизонта видимости, т.е. они причинно не связаны друг с другом и не могли во время расширения Вселенной обменяться сигналами.

Как же в таком случае у них получились одинаковые температуры, если одна точка не могла знать, какая температура у другой?

Эта проблема получила название “проблемы горизонта”.

Стадия “раздувающейся Вселенной” решает “проблему горизонта”.

Действительно, точки, которые до стадии раздувания Вселенной, лежали близко друг к другу внутри общего горизонта видимости, благодаря чему обмен сигналами между ними был возможен.

В результате же стремительного раздувания за время от t  10^34 с до t 10^32 с оказываются разнесенными на очень большие расстояния, заметно превышающие расстояние до горизонта.

В этот момент происходит фазовый переход “ложного вакуума”, с его огромной плотностью, в плотность обычной материи.

Антигравитация “ложного вакуума” заставляет возникающую из него обычную материю расширяться с точно сбалансированной скоростью.

Значит, плотность вакуума в точности соответствует критической плотности для той эпохи.

После фазового перехода плотность материи, естественно, тоже равна критической с огромной точностью (  10^-31 _кр, без учета плотности вещества скрытой массы).

В ходе фазового перехода во Вселенной возникают соприкасающиеся домены с разными физическими свойствами.

На границах доменов могли возникнуть магнитные монополи с массой в 10¹⁶ раз тяжелее протона и несущие магнитный заряд.

Домены рождаются в эпоху соответствующей t 10^34 с после начала расширения Вселенной.

Размер каждого домена 10^34 световой секунды или около 10^24 см. Затем, в эпоху раздувания Вселенной, его размер увеличивается в 10⁵⁰ раз, т.е. до 10²⁶ см (около 10⁶ световых лет).

Стадия раздувающейся Вселенной заканчивается к моменту t 10^32 с.

После этого Вселенная расширяется по обычным законам, тормозясь тяготением. Размеры Вселенной к нашему времени увеличиваются еще 10²⁵ раз.

Следовательно, окончательный размер домена 10⁵¹ см (10³³ световых лет). Размер наблюдаемой области Вселенной составляет только 10¹⁰ световых лет.

Это и есть горизонт видимости.