Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Как только расширяющаяся Вселенная остыла до температуры в миллиард кельвинов, ее протоны и нейтроны начали соединяться в различные атомные ядра. К ним относились стабильные ядра дейтерия (1 протон + 1 нейтрон), гелия-3 (2 протона + + 1 нейтрон), гелия-4 (2 протона + 2 нейтрона) и лития-7 (3 протона + 4 нейтрона). Этот период нуклеосинтеза длился около 20 минут, после чего все свободные нейтроны распались обратно на протоны и электроны, тем самым прекратив дальнейшие реакции. Одно из величайших достижений теории Большого взрыва состоит в том, что она точно предсказывает относительную распространенность этих атомных ядер, возникших за отведенное время. Еще до того, как звезды стали создавать свои собственные элементы, ранняя Вселенная уже содержала 75 % водорода-1

(атомное ядро которого состоит из одного протона), около 25 % гелия-4, 0,01 % дейтерия и гелия-3 и ультрамалое количество (порядка 10^–10) лития-7.

Эпоха вещества

Время ≈ 10¹¹ с — 10⁴ лет, температура ≈ 10⁵ К

До этой эпохи в энергетическом балансе Вселенной преобладали фотоны, но непрестанное расширение космического пространства изменило это положение. Вселенная раздувалась, и концентрация как фотонов, так и материальных частиц уменьшалась в соответствии с увеличением объема — иными словами, с увеличением размера в кубе (R³). Между тем уменьшалась и энергия в расчете на фотон, поскольку соответствующая длина волны каждого фотона растягивалась вместе с расширяющейся Вселенной, то есть как размер (R). По причине того, что концентрация фотонов в пространстве снизилась, а энергия каждого фотона сократилась, плотность их энергии уменьшалась в соответствии с четвертой степенью возрастания размера (R⁴), а концентрация вещества — в соответствии с кубом возрастания размера (R³). Потребовалось около 10 000 лет космического расширения, чтобы плотность энергии фотонов упала ниже плотности материальных частиц — и так мы унаследовали Вселенную, в которой преобладает материя.

Эпоха атома

Время ≈ 10¹³ с — 4 ∙ 10⁵ лет, температура ≈ 3 ∙ 10³ К

Эта эпоха следует сразу за рекомбинацией электронов и атомных ядер с образованием атомов без суммарного заряда. Подробные данные о космическом микроволновом фоне позволили космологам- наблюдателям рассчитать время наступления этой эпохи (380 000 лет после Большого взрыва), ее температуру (3000 К) и то, во сколько раз с тех пор расширилась Вселенная (1100). Слабое микроволновое свечение, распространенное по всей небесной сфере, ученые интерпретируют как «поверхность последнего рассеивания» от первичной плазмы, которая как раз в тот миг нейтрализовалась и стала прозрачной для фотонов. Разумная аналогия — видимая поверхность Солнца: мы не можем заглянуть сквозь нее в более глубокие слои солнечной плазмы, и остается довольствоваться тем, что мы видим поверхность ее последнего рассеивания, где плотность снизилась в достаточной мере для того, чтобы высвободились фотоны. Точно так же космический микроволновый фон считается свидетельством того переломного момента, когда электроны обрели возможность связываться с атомными ядрами и тем самым образовывать нейтральные атомы. Плазмы, с которой взаимодействовали фотоны, пронизывающие космический простор, больше не существовало, и теперь они могли распространяться сквозь пространство и время — чтобы через 13,8 млрд лет попасть на наши детекторы.

Завершающий пассаж

Теория Большого взрыва объясняет очень многое из того, что астрономы узнали о Вселенной, в том числе:

1. Космическое расширение. «Обратная перемотка» этого расширения к началу приведет нас в космос, который был намного плотнее и горячее нынешнего. Наиболее точные оценки возраста расширения составляют около 13,8 млрд лет.

2. Парадокс Ольберса. Причина темного облика ночного неба заключается в том, что возраст Вселенной конечен. Свет от чего-либо за пределами соответствующего аберрационного времени в 13,8 млрд световых лет до нас еще не дошел.

3. Содержание элементов в космосе. Наблюдаемая относительная распространенность водорода, дейтерия, гелия-3, гелия-4 и лития-7 соответствует рассчитанному результату нуклеосинтеза, проходившего в первые двадцать минут после Большого взрыва.

4. Космический микроволновый фон. Это свечение всего неба понимается как излучение, испущенное Вселенной в то время, когда она только остывала и переходила из состояния ионизированной плазмы в нейтральное атомное состояние. Это происходило примерно через 380 000 лет после Большого взрыва.