Да будет вещество!

Каждый кубический сантиметр пространства содержит около 500 реликтовых фотонов. Вещества на этот же объём приходится гораздо меньше: около 10^-6 барионов (так называют тяжёлые элементарные частицы, в том числе протоны и нейтроны). Поскольку фотоны никуда не исчезают (пространство между галактиками прозрачно), отношение числа фотонов к числу барионов в ходе расширения Вселенной сохраняется. Но энергия фотонов со временем уменьшается из-за красного смещения. Следовательно, когда-то в прошлом плотность энергии излучения была больше плотности энергии обычных частиц вещества. Это означает, что до определённого момента фотоны не только числом, но и "массой" (масса - это просто энергия, делённая на квадрат скорости света) превосходили барионы. В те времена излучение полностью определяло характер расширения Вселенной. Об этой эпохе говорят как о радиационной стадии в эволюции Вселенной. На этой стадии температура вещества и излучения была одинаковой.

Но в один прекрасный момент, примерно через миллион лет после начала расширения Вселенной, всё изменилось: произошёл переход от радиационной стадии к стадии вещества. Это событие называют моментом регсои^мнд^им. Температура тогда понизилась до нескольких тысяч градусов. Из атомной физики известно, что при такой температуре начинается объединение (рекомбинация) электронов, бывших до этого свободными частицами, с протонами и ядрами гелия. Именно на этой стадии во Вселенной началось образование атомов, преимущественно водорода и гелия.

Если до рекомбинации ионизованное вещество и излучение активно взаимодействовали друг с другом, то после неё ситуация резко изменилась: кванты света почти перестали "замечать" нейтральные атомы. Вселенная стала прозрачной для излучения, которое начало путешествовать свободно. Именно это излучение улавливаем мы сейчас как реликтовое. Образно говоря, кванты реликтового излучения "запечатлели" эпоху рекомбинации и несут прямую информацию о далёком прошлом. Правда, с тех пор фотоны "покраснели" из-за расширения Вселенной и уменьшили свою энергию примерно в 1000 раз.

После рекомбинации вещество впервые начало эволюционировать самостоятельно, независимо от излучения, и в нём стали появляться уплотнения - зародыши будущих галактик и их скоплений. Вот почему так важны для учёных эксперименты по изучению свойств реликтового излучения - его спектра и пространственных неоднородностей (флуктуации). Их усилия не пропали даром: в начале 90-х гг. российский космический эксперимент "Реликт-2" и американский "Кобе" обнаружили очень маленькие различия температуры реликтового излучения и соседних участков неба. Величина отклонения от средней температуры (2,73 К) составляет всего около тысячной доли процента! Эти вариации температуры несут информацию об отклонении плотности вещества от среднего значения в эпоху рекомбинации. Именно вариации плотности впоследствии привели к образованию наблюдаемых во Вселенной крупномасштабных структур, скоплений галактик и отдельных галактик.

Сразу после рекомбинации ещё не было ни звёзд, ни галактик, ни других космических объектов; вещество было рассеяно во Вселенной почти равномерно. Причина, по которой из однородной среды образовались массивные тела (звёзды, планеты, галактики и т. д.) кроется в силе гравитации. Там, где плотность была чуть выше средней, сильнее было и притяжение, а значит, более плотные образования становились ещё плотнее. И наоборот, области пониженной плотности делались всё разреженнее, поскольку вещество из них уходило в более плотные области. Таким образом, изначально почти однородная среда со временем разделилась на отдельные "облака", из которых сформировались галактики.

По современным представлениям, первые галактики должны были образоваться в эпоху, которая соответствует красным смещениям z  4-8 (напомним, что красным смещением называют изменение длины волны электромагнитного излучения по отношению к исходной длине волны). Наблюдения очень далёких галактик с большими красными смещениями подтверждают, что это наиболее молодые объекты, которые мы видим вскоре после их рождения.