Большой взрыв, реликтовое излучение и возраст Вселенной.
От одного историка слышал такую приговорку: "История мидян темна и непонятна. Тем не менее, ученые делят ее на три периода". Примерно то же самое можно сказать и про историю Вселенной. Особенно про период от момента ее рождения до момента появления в ней привычных нашему сознанию элементарных частиц.
Рассуждения о прошлом Вселенной обычно начинаются с планковских параметров - объемной плотности вещества ρ ~ 1093 г/см3 и температуры Т ~ 1032 °К. Столь чудовищно большие параметры никто и никогда не наблюдал и вряд ли когда сможет увидеть. Поскольку максимальная плотность вещества, известная физикам и астрономам, есть плотность ядерной материи ρяд ≈ 3×1014 г/см3. И, к тому же, все известные физике элементарные частицы (кроме частиц, осуществляющих разные типы взаимодействий) являются фермионами. Упаковать же любые фермионы до планковской плотности принцип Паули вряд ли позволит.
Но тогда что имеют ввиду, говоря о Большом взрыве? Этот термин появился, скорее всего, с целью популяризации получившей однозначные наблюдательные подтверждения модели Горячей Вселенной, идея которой была высказана Гамовым еще в 1947 году. Поэтому начнем с изложения уже понятой истории Горячей Вселенной. А предшествующий ей период, описанный в математических моделях, основанных на непонятно какой интуиции, но не подтвержденных ни в экспериментах, ни в наблюдениях, в том числе - модель Космической инфляции, обсуждать не будем. Тем более, что этот период по мнению описывающих его авторов длился по совокупности от силы несколько секунд от момента рождения Вселенной.
1. Эпоха первичного нуклеосинтеза.
В рамках модели Горячей Вселенной она продолжила расширяться из состояния очень горячей плазмы, состоящей в основном из протонов, электронов и фотонов. В такой Вселенной шли термоядерные реакции (нуклеосинтез), в которых из протонов образовывались ядра гелия и в микроскопической доле - лития. В существующих моделях эта эпоха могла начаться через несколько секунд после рождения Вселенной и длиться не более 1-2 десятков минут. Главным результатом ее стала наработка ядер гелия в количестве около 10% от числа оставшихся свободными протонов.
2. Плазменная эпоха.
Нуклеосинтез прекратился из-за обусловленного расширением Вселенной падения температуры плазмы. Другими словами, температура во Вселенной упала до меньшей, чем в недрах звезд, величины. Дальнейшее расширение Вселенной сопровождалось соответствующими падениями плотности и температуры плазмы. Падала и энергия фотонов, непрерывно взаимодействующих с заряженными частицами плазмы. И в какой-то момент температура плазмы и энергия фотонов упали настолько, что наступила возможность рекомбинации (объединения протонов, ядер гелия и лития с электронами в электрически нейтральные атомы).
К этому моменту энергия подавляющего большинства фотонов стала недостаточной для ионизации возникающих атомов водорода и гелия. Что произошло при температуре Вселенной Т ~ 3000 °К. В итоге плазма Вселенной превратилась в электрически нейтральный газ. И фотоны потеряли возможность рассеиваться на заряженных частицах плазмы. Об этом явлении говорят как об отрыве излучения от вещества. Произошло это примерно через 380 тысяч лет с момента рождения Вселенной. А оторвавшееся от вещества излучение по мере расширения Вселенной продолжало остывать и в настоящее время наблюдается как реликтовое излучение с температурой Т ≈ 2,7 °К. Простой образ этого излучения - порядка 400-500 фотонов/см3 с длиной волны около 2 миллиметров.
3. Эпоха темных веков.
Распределение реликтового излучения по небесной сфере практически изотропно. Это означает, что и ощутимых флуктуаций плотности вещества, ставшего после рекомбинации довольно горячим электрически нейтральным газом, на тот момент не было. Но флуктуации могли усиливаться по мере остывания газа, обусловленного расширением Вселенной. И они усиливались. Причиной такого усиления является гравитационная (джинсовская) неустойчивость. Условие раскачки которой было изложено здесь.
Это условие говорит о том, что если пространственный масштаб флуктуации плотности газа превышает критический масштаб Lcr ~ cs/√(Gρ), где ρ - плотность газа, cs - скорость звука в нем, то амплитуда флуктуаций плотности начинает расти экспоненциально. По крайней мере на линейной стадии роста амплитуды. Эпохе, в рамках которой амплитуды флуктуаций плотности газа еще не были весьма значительными, астрофизики присвоили название эпохи темных веков. Поскольку единственным светом в эту эпоху был тусклый свет довольно быстро остывающего реликтового излучения. Длилась эта эпоха по разным оценкам от момента рекомбинации до примерно 400-500 млн. лет от момента рождения Вселенной.
4. Переход к современной эпохе.
По истечении примерно полумиллиарда лет с момента рождения Вселенной ее темные века закончились. Закончились тем, что существенно выросшие к этому моменту флуктуации плотности газа уже практически обособились от окружающего их газа. При этом и окружающий их газ, и газ внутри гораздо более плотных обособленных областей, был достаточно холодным. И потому не создавал достаточно приличного градиента давления, способного противостоять гравитационным силам самосжатия обособленных областей (силам самогравитации).
Быстрое сжатие самогравитацией обособленных областей в зависимости от их масштаба приводило к разным результатам. Если масса обособленной области не превышала нескольких сотен масс Солнца, то образовывалась звезда. И таких звезд возникло великое множество. Так появился первый свет во Вселенной.
Если масса обособленной области составляла многие миллионы или даже многие миллиарды масс Солнца, то образовывались протоскопления звезд или протогалактики. Протоскопления звезд и протогалактики в процессе своей эволюции дробились на относительно небольшие облака газа, в которых впоследствии рождались звезды. А галактики при близком прохождении друг мимо друга могли объединяться в гораздо более крупные галактики и скопления галактик.
В результате таких процессов Вселенная пришла к нынешнему своему состоянию.
5. Возраст Вселенной.
Коль скоро Вселенная когда-то родилась, то естественен вопрос о ее возрасте ТВс. Для определения которого астрономы могут измерять скорости убегания от нас далеких объектов и расстояния до них. На практике применяют постоянную Хаббла "Н", имеющую размерность, обратную времени. Измеряют ее в км/сек/Мпк (Мпк - мегапарсек = 3,26 млн. световых лет). И в первом приближении считают, что возраст Вселенной ТВс ≈ 1/Н.
Измеренная по параметрам реликтового излучения постоянная Хаббла Н = 67,4 км/сек/Мпк. Этому значению соответствует возраст Вселенной ТВс ≈ 14,6 млрд. лет. Но измеренная по светимости расположенных не далее 300 млн. св. лет от нас сверхновых звезд постоянная Хаббла Н = 74 км/сек/Мпк. Такому Н соответствовал бы Твс ≈ 13,3 млрд. лет. Но поскольку второе значение постоянной Хаббла трактуется как ускорение расширения Вселенной в относительно недавнюю эпоху, то во многих моделях возрастом Вселенной считается ТВс ≈ 13,8 млрд. лет.