Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор

После стадии инфляции Вселенная наполнилась обычной материей – известными нам элементарными частицами. В списке известных частиц каждой частице соответствует античастица, например, протону – антипротон и т. д. Но современный мир состоит почти из одних частиц, античастиц – ничтожное количество. Если бы состояние Вселенной после инфляции было строго равновесным, то частиц и античастиц должно было родиться одинаковое количество, они бы все аннигилировали с выделением энергии в виде, скажем, излучения, и нашего мира в современном восприятии не было бы. Прежде всего важно соотношение барионов (это протоны, нейтроны – основа нашего мира) и антибарионов. Но поскольку Вселенная расширяется, то равновесия не возникло, и это, полагают, привело к избытку числа барионов над числом антибарионов, а этот избыток и есть вещество нынешней Вселенной. Момент образования этой асимметрии относят также к моменту окончания инфляции и периоду рождения обычной материи.

Завершением инфляции будем считать время 10^–35 с, когда температура остается не ниже 10¹⁶–10¹⁵ ГэВ (10²⁹ К) и неразличимы взаимодействия различных видов: электромагнитного, слабого и сильного (всех, кроме гравитационного) – они проявляют себя как единое взаимодействие. Этот период называется периодом Великого объединения. С расширением, при температуре ниже 10¹⁵ ГэВ, эпоху Великого объединения сменяет эпоха электрослабого объединения, когда только электромагнитное и слабое взаимодействия представляют единое целое.

В момент, когда температура понижается до 100 ГэВ (10¹⁷–10¹⁶ К) эпоха электрослабого объединения заканчивается, это называют элетрослабым фазовым переходом и он происходит через 10^–10 с после «рождения». Образуются такие элементарные частицы, как кварки, лептоны, глюоны и промежуточные бозоны. Это состояние называется кварк-глюонная плазма. Такие элементарные частицы, как барионы (протоны, нейтроны, и т. д.) и мезоны (пионы, каоны, и т. д.), называются адронами и состоят из кварков. В настоящую эпоху нет возможности увидеть кварки свободными – они «намертво» вморожены в частицы. А в то время они были в свободном состоянии равновесной плазмы. Но Вселенная остывает и при возрасте 10^–4 с и температуре 100 МэВ (10¹²–10¹³ К) приходит эра, когда становится возможным слияние кварков в адроны (конфаймент кварков). В эту эпоху состав Вселенной начинает походить на современный; основные частицы – это фотоны, помимо них есть только электроны и нейтрино со своими античастицами, а также протоны и нейтроны. В этот период происходит одно важное событие: нейтрино перестают активно взаимодействовать с веществом (то есть вещество становится прозрачным для нейтрино) и далее расширяются самостоятельно. Возникает реликтовый фон нейтрино. К настоящему времени нейтринный газ должен был остыть до 1,9 К, если нейтрино не имеют массы (или их массы пренебрежимо малы).

При температуре 0,7 МэВ и ниже (10¹⁰–10⁹ К) термодинамическое равновесие между протонами и нейтронами, существовавшее до этого, нарушается и отношение концентрации нейтронов и протонов застывает на значении 0,19. Начинается синтез ядер дейтерия, гелия, лития. Момент начала такого процесса (который называется первичным нуклеосинтезом) от «рождения мира» – около 1 секунды. Примерно через 3 минуты после рождения Вселенной температура падает до значений, при которых синтез ядер уже невозможен, и химический состав вещества остается неизменным до момента рождения первых звезд.

Таким образом, для дозвездного вещества (по числу атомов) предсказывается: H (75 %), ⁴He (25 %), D (3 · 10^–5), ³He (2 · 10^–5), ⁷Li (10^–9). Эти цифры хорошо согласуются с новейшими определениями химсостава вещества по линиям в спектрах квазаров на больших красных смещениях.

Важные моменты в ранней Вселенной приведены в таблице

Важной эпохой в эволюции Вселенной является эпоха рекомбинации водорода. Это произошло через 300 000 лет после начала расширения. Процесс состоял в том, что отдельные протоны и электроны объединились в атомы. Такая среда становится прозрачной для электромагнитного излучения, которое далее расширяется независимо, остывая при этом в соответствии с фридмановским законом. Как следствие, в наше время должно наблюдаться остаточное излучение, спектр которого такой же, как спектр абсолютно черного тела, и это излучение должно быть в высшей степени изотропно.