Ранние стадии эволюции Вселенной

Физик Александр Иванчик о модели Большого взрыва, происхождении химических элементов и зарождении жизни во Вселенной

Туманность Улитка (Helix Nebula, NGC 7293) — планетарная туманность в созвездии Водолей на расстоянии 650 световых лет от Солнца (wikimedia.org)

Мы публикуем текст доктора физико-математических наук Александра Иванчика, посвященный ранним этапам эволюции нашей Вселенной и зарождению в ней жизни.

Инфляционная стадия

Современные представления о Вселенной и ее различных стадиях эволюции базируются на модели Большого взрыва. Наша Вселенная родилась около 13,7 млрд лет назад и в процессе своей эволюции прошла через различные стадии, характеризуемые протеканием различных физических процессов, доминированием разнообразных форм материи, изменяющейся динамикой скорости расширения Вселенной. Одним из первых таких этапов стала инфляционная стадия, когда расширение пространства шло со скоростями большими, чем скорости распространения света по этому пространству. Это привело к наблюдаемой картине современной Вселенной, при которой она выглядит пространственно очень плоской и с огромным видимым объемом. Эта стадия протекала практически в первые доли секунды рождения Вселенной — это 10-36–10-32 секунды, то есть времена совсем невообразимые.

https://www.youtube.com/watch?v=zJ8VFdDgXRQ

Фридмановская стадия

Окончание инфляционного расширения Вселенной сопровождалось стадией распада инфляционного поля с рождением частиц Стандартной модели (фотоны, электроны, кварки и др.), разогретых до огромных температур, превышающих миллиарды градусов Кельвина. За инфляцией последовала фридмановская стадия эволюции Вселенной. Решения, описывающие эту стадию, были получены нашим соотечественником Фридманом Александром Александровичем в 1922 году в результате решения уравнений общей теории относительности. Фридмановская стадия эволюции Вселенной — это наиболее изученный этап развития Вселенной, максимально теоретически обоснованный и имеющий огромное количество наблюдательных подтверждений. С хорошей точностью мы знаем современную скорость расширения Вселенной (70 км/с/Мпк). Наблюдение химического состава Вселенной прекрасно согласуется с теорией первичного нуклеосинтеза и вместе с изучением анизотропии реликтового излучения дает оценку барионной плотности Вселенной, которая составляет всего лишь 4% вещества от критической плотности. Результаты численного моделирования формирования крупномасштабной структуры Вселенной на фоне расширяющегося пространства подтверждаются глубокими современными обзорами неба, в которых четко просматриваются такие структурные единицы, как галактики и их скопления, филаментарные образования, собирающиеся в узлы из тысяч галактик, — все это формирует так называемую космическую сеть, опутывающую огромные (более 100 Мпк) войды — пустоты сильно разреженного пространства.

Первичный нуклеосинтез

В 1948 году Георгий Гамов — наш соотечественник, но в тот момент работавший в США, — изучая происхождение химических элементов и их относительную распространенность, предложил модель ранней горячей Вселенной. Гамов предположил, что расширяющаяся в настоящий момент Вселенная в прошлом была гораздо меньше, а следовательно, гораздо плотнее и горячее. То есть в истории Вселенной существовал период, когда вещество было разогрето до столь высоких температур и в нем присутствовало настолько много фотонов, что эти фотоны разбивали привычную нам материю на элементарные составляющие. Не было ни атомов, ни молекул. Атомы ионизировались. Ядра разрушались до самых простейших составляющих протонов и нейтронов. Таким образом, вещество Вселенной представляло собой простейшую смесь элементарных частиц, поведение и состав которых определяются Стандартной моделью физики элементарных частиц. По мере расширения и остывания Вселенной начал протекать процесс образования из этих элементарных частиц химических элементов таблицы Менделеева. Этот процесс называется первичным нуклеосинтезом. Он протекал примерно в первые мгновения эволюции Вселенной, от нескольких долей секунд до нескольких десятков минут. Протоны и нейтроны сливались с образованием дейтерия, ядерные реакции с дейтерием приводили к образованию трития и гелия. Гелий перегорал в более тяжелые элементы. Дальнейший синтез элементов мог бы идти гораздо эффективнее, если бы в природе существовал стабильный элемент с атомным весом 5, но, поскольку такого элемента не существует, дальнейшее образование более тяжелых элементов таблицы Менделеева протекало с гораздо меньшими скоростями и в гораздо меньших количествах. Самыми тяжелыми элементами, которые в наблюдаемом количестве смогли образоваться в процессе первичного нуклеосинтеза, были литий, бериллий и бор. Еще более тяжелые элементы образовывались уже в количествах, которые были во много миллиардов раз меньше, чем распространенность водорода и гелия.

Теория первичного нуклеосинтеза и наблюдения распространенности легких элементов позволяют нам заглянуть в первые секунды рождения Вселенной. На сегодняшний день это самое далекое от нас время и самое близкое к моменту Большого взрыва, которое мы можем только видеть.

Зарождение жизни

По окончании процессов первичного нуклеосинтеза, после того как Вселенная расширилась настолько, что дальнейшее протекание ядерных реакций стало невозможно, сформировался первичный химический состав вещества. Оказалось, что Вселенная заполнена на 90% (по числу атомов) водородом, на 8% гелием и менее 2% более тяжелыми элементами, такими как дейтерий, литий, бериллий и бор. Содержание элементов тяжелее бора оказалось пренебрежимо малым. В этом смысле вещество Вселенной выглядело чрезвычайно просто, оно представляло собой на тот момент водородно-гелиевую плазму. Можно задаться вопросом, откуда же взялись мы, поскольку мы представляем собой углеродную форму жизни и для существования нашей жизни, помимо углерода, нам еще нужен кислород, да и практически вся таблица Менделеева. На самом деле мы взялись из звезд. То есть первые поколения звезд, термоядерным образом пережигая водородное и гелиевое топливо, образовывали более тяжелые элементы, такие как кислород, углерод, магний, кремний и др. Поскольку первые звезды были очень тяжелыми и эволюционировали довольно быстро, финальной стадией эволюции таких звезд были мощные взрывы, которые выбрасывали в межзвездную среду синтезированные в их недрах тяжелые элементы. Выброшенные в межзвездное пространство, они перемешались с первичным водородом и гелием, в результате чего возможно было формировать звезды уже следующего поколения с более насыщенной системой элементов, такие как, например, наше Солнце. Из этого же межзвездного газа, обогащенного углеродом, кислородом и более тяжелыми элементами, формировались планетные системы, и на одной из таких планетных систем и появилась наша жизнь.

Реликтовое излучение

Эволюция Вселенной после первичного нуклеосинтеза долгое время протекала без изменения химического состава вещества. По мере расширения и остывания Вселенной радиационно-доминированная эра сменилась эрой доминирования холодной темной материи. Обычное вещество Вселенной по-прежнему ионизовано, реликтовое излучение, оставшееся от эпохи Большого взрыва, однородно и изотропно заполняет непрозрачную Вселенную. Приблизительно через 300 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная уже остыла настолько, что электроны и ядра гелия, электроны и ядра водорода начали соединяться и, соединяясь, стали образовывать нейтральные атомы. Процесс перехода полностью ионизованной материи в полностью нейтральную называется первичной рекомбинацией. До этого реликтовое излучение распространялось как в тумане, но после того, как произошла рекомбинация и водород и гелий стали нейтральными, это излучение стало распространяться по всей Вселенной однородно и изотропно.

https://www.youtube.com/watch?v=dyxYvwUuhZ4

Астроном Лайман Пейдж о развитии теории горячего Большого взрыва, дипольной компоненте и зондировании Вселенной до самых ранних эпох

В том числе это излучение приходит к нам, мы его наблюдаем и изучаем, оно несет нам информацию о Вселенной, какой она была 300 тысяч лет назад. При этом, распространяясь по Вселенной, из-за того что скорость света конечна, это излучение двигается довольно долго. Оно идет до нас приблизительно 13 миллиардов лет. И по мере возникновения крупномасштабной структуры Вселенной это излучение проходит и через формирующиеся галактики и скопления галактик, и через формирующиеся гравитационные ямы, гравитационные потенциалы, которые, конечно, вносят некоторые искажения в это излучение. И поэтому мы видим не только то, какой Вселенная была 13 миллиардов лет назад, но еще и то, как во Вселенной начали формироваться структуры. Это излучение несет в себе отпечаток и более поздних эпох, то есть более близких к нам по времени. В этом смысле оно отражает развитие Вселенной по различным эпохам и представляет собой пространственно-временную фотографию нашей Вселенной в субмиллиметровых волнах электромагнитного диапазона.

Современная стадия эволюции Вселенной

Наблюдения в последние десятилетия одних из самых мощных взрывов во Вселенной — взрывов сверхновых звезд Ia — показали, что наша Вселенная расширяется с ускорением. Это стало огромным сюрпризом для космологов и астрофизиков. Гравитация, являясь универсальной силой, имеет только один знак — притяжение. Для того чтобы расширяться с ускорением, нужна антигравитация, которая создается, как принято сейчас говорить, темной энергией. Это неизвестная на сегодняшний день форма материи, природу которой еще предстоит выяснить в новых физических и астрофизических экспериментах.

Как дальше будет развиваться наша Вселенная — будет ее расширение только ускоряться, или замедлится, или сменится коллапсом, — зависит от форм материи, ее заполняющих и от их эволюции.