Науковцям було непросто оцінити фізичні умови, що існували у перші секунди після Великого вибуху, адже вони абсолютно неймовірні з погляду сучасного світу. Більш того, ця епоха віддалена від нас на 13,8 млрд років. Але фізичні закони, частинки та випромінювання, що виникли тоді, мали надзвичайний вплив на подальшу еволюцію нашого Всесвіту. А отже, уважно вивчаючи його будову та закономірності розвитку, можна поступово дістатися до його першооснови.
Уявіть, що стоїте на руїнах дуже давнього міста. Навколо лише розвалини древніх будівель, рештки людей, предмети їхнього побуту. Якщо ви науковець і у такому місці, є велика ймовірність, що ви — археолог. Для вас буде важливою кожна деталь — взаєморозташування об’єктів один відносно одного, глибина шару, на якому їх знайшли, стан, у якому вони перебувають. А тепер уявіть людей, для яких такими розкопками є цілий Всесвіт. Кожна зоря, галактика чи скупчення галактик — такі ж стародавні артефакти, адже наш Всесвіт невпинно рухається й еволюціонує в часі. Такі сучасні мета-археологи називають себе космологами. У цій статті ми ближче познайомимося з космологією та пройдемося «археологічними шарами» нашого Всесвіту — подивимось на етапи еволюції, які він пройшов до поточного моменту.
Ми мандруватимемо з теперішнього в минуле, хоча, можливо, для сприйняття була б легшою прогулянка у зворотному напрямку. А вчинимо ми так, оскільки чим «глибший» шар зачіпатимемо — тим менше знань про нього має сучасна наука. Перш ніж ми вирушимо, згадаймо кілька фактів, які сучасна космологія приймає як постулати. Передусім — скінченна швидкість поширення світла, гравітації та будь-якої взаємодії чи інформації. Цей постулат, покладений в основу Спеціальної теорії відносності Ейнштейном ще 1905 року, перевірявся вченими незліченну кількість разів і ніколи не дозволив сумніватись у собі. Його прямий наслідок: дивлячись у далечину, ми дивимося в минуле. Що далі об’єкти, за якими ви спостерігаєте, то вони старіші. Найглибше минуле — вік нашого Всесвіту, який, згідно з останніми спостережними даними, можна оцінити у 13,8 млрд років.
Другий постулат — космологічний принцип. Космологи впевнені: у нашому Всесвіті, в середньому, на великих масштабах не існує вибраних точок або напрямів. Космологічний принцип стверджує, що ніде немає «пупа світу», «центру Всесвіту» чи чогось такого. На дійсно великих масштабах (сотні мегапарсек) Всесвіт буде здаватись однорідним і однаковим у будь-якому його регіоні та в будь-якому напрямі. Наприклад, якщо ви захочете порахувати, скільки галактик перебуває в однакових об’ємах простору, ви завжди отримаєте приблизно те ж саме число. І це наразі дійсно спостережний факт, хоча вчені досі дискутують щодо того, на якому конкретно масштабі настає така однорідність.
Окрім цього, варто пам’ятати, що всюди у просторі та часі закони фізики, що штовхають еволюцію Всесвіту, діють однаково. Це ще один постулат, який вважається загальноприйнятим при побудові теорій. Озброївшись цими постулатами, займаємо місця у машині часу та рушаймо в минуле.
Сучасна епоха
Якщо ви подивитесь на небо в зоряну ніч, то побачите (хоча, можливо, і необов’язково помітите) важливу його рису — темряву. Це найпростіше спостереження показує, що матерія в сучасному Всесвіті локально організована вельми неоднорідно, утворюючи невеличкі компактні згустки (часом дуже щільні) — планети, зорі, хмари газу та пилу, на більших масштабах — галактики. Для того, щоб ці структури сформувалися зі значно одноріднішого Всесвіту в минулому, потрібен час. Зокрема, щоб галактики та зорі, з яких вони складаються, почали світитися — треба, аби газ під дією гравітації сколапсував і розігрівся настільки, щоб у ньому почалися термоядерні реакції.
Перші зорі, утворені з первинних хмар водню, запалали між 200 і 500 млн років від народження Всесвіту. Найяскравіші зі щойно утворених галактик, до складу яких вони входили, можна буде спостерігати за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба, чия місія стартує вже у грудні цього року.
Вчені вважають, що сучасні великомасштабні структури — галактики та скупчення галактик — утворилися зі збурень первинного (інфлантонного) поля, яке й народило всю матерію у Всесвіті. До неї передусім входить не тільки й не стільки баріонна матерія, з якої ми всі складаємось і яка може поглинати та випромінювати світло, а й матерія темна, якої в 4-5 разів більше, ніж баріонної, і яка утворює масивні гало навколо видимих структур. Еволюція кожної галактики по-своєму унікальна: початково вони мали різні маси, розвивались у різному оточенні, могли зливатись, поглинати одна одну. Але є у них і спільні риси — всі галактики повільно старіють, «переплавляючи» в надрах своїх зір водень і гелій на важчі елементи, і проходять пік свого зореутворення. Їхні активні ядра, що являють собою надмасивні чорні діри з газом, що падає на них, поступово втрачають активність, «розчистивши» простір навколо себе. Разом із міжгалактичним іонізованим газом, що складає значну частину видимої матерії, галактики та скупчення галактик, а також темна матерія, що їх оточує, формують все складніший візерунок у просторі — космічні великомасштабні філаменти, «стіни», систему порожнин (войдів). Уся сукупність цих структур тепер називається «космічним павутинням». Воно, а також описані тут процеси якраз і характеризують сучасний етап розвитку Всесвіту, який має іще одну цікаву рису: прискорене розширення за рахунок домінування в ньому за густиною темної енергії — загадкової субстанції чи явища, «тиск» якої призводить до такого розширення.
Епоха, що передувала сучасній, називається в космології епохою Темних віків. І в цьому випадку, на відміну від історичного терміну, можна сказати, що назва описує цю епоху буквально.
Темні віки та Космічний світанок
Концепцію Великого вибуху, опускаючи деталі, можна досить просто пояснити кількома словами: що далі в минуле, то гарячішим і щільнішим був Всесвіт. У якийсь момент він починає бути настільки щільним і гарячим, що постійно світиться, та водночас лишається непрозорим для власного світла. Це дещо схоже на наше Сонце — ми бачимо світло лише з його верхнього шару (фотосфери). Світло Всесвіту теж можливо побачити — якраз в той момент, коли він ще достатньо гарячий, щоб світитись, але вже недостатньо густий, щоб поглинути це світло. Пройшовши через мільярди років розширення простору, зараз це світло перетворилося на мікрохвильовий реліктовий фон, відкриття якого 1965 року стало переможним аргументом для теорії Великого вибуху. А що було між появою цього випромінювання та світла від перших зір?
Збурення матерії, з яких згодом утворяться галактики, тільки почали колапсувати. Мають минути десятки мільйонів років, щоб густина газу в них стала достатньою для початку формування первісних світил. Утворитися їм теж не вдасться швидко — не дають відомі ще зі школи закони збереження, зокрема енергії. Що тісніше гравітація стискає протозорю, то гарячішою вона стає. І тим більший тиск у її надрах, який здійснює опір подальшому колапсу. Рятує теплове випромінювання — виносить з них енергію і дозволяє зростати тиску, аж поки його не стає достатньо, аби «запалити» довготривалі термоядерні реакції. Перші зорі могли бути куди масивнішими та яскравішими від найбільших сьогоднішніх. Вони складалися лише із водню та гелію — інших елементів у первинному газі майже не було. Теоретики пропускають, що деякі хмари колапсували прямо в чорні діри (настільки масивними вони були), оминувши фазу термоядерного горіння. Паралельно відбувалася космологічна реіонізація: надзвичайно високоенергетичне випромінювання цих зір і акреційних дисків перших чорних дір виштовхувало частину газу з новоутворених галактик та іонізувало його. А процес народження перших світил отримав романтичну назву «Космічний світанок».
Рекомбінація та первинна плазма
Зазирнемо у ще більш ранній Всесвіт. Але цього разу заглядати доведеться лише силою думки: як ви вже знаєте, при русі в минуле, починаючи з якогось моменту, Всесвіт є непрозорим для світла — він надто гарячий та щільний. Що відбувалось у цій первинній плазмі? Вона складалась із тих елементарних «цеглинок» матерії, про які відомо кожному школяру — електронів і протонів. Але за рахунок її дуже високої температури з них не міг утворитися водень: кінетична енергія руху цих частинок була настільки високою, що утворені атоми водню від ударів між собою моментально знову розпадалися на протони та електрони, залишаючи плазму повністю іонізованою. Важливою складовою були також фотони, що народжувалися під час іонізації та перевипромінювались у плазмі. Розширення Всесвіту поступово охолоджувало її: кількість речовини залишалася сталою, а об’єм постійно зростав — аж до моменту, який називають космологічною рекомбінацією. У цей момент плазма стала настільки холодною, що протони та електрони рекомбінували у водень, а фотони відділилися від газу, дійшовши до нас у вигляді мікрохвильового реліктового фону.
Приблизна температура Всесвіту, за якої завершилася рекомбінація — 3000 кельвінів, це відбулося через 370 тис. років від моменту його народження. Сфера останнього розсіювання — так учені називають той «знімок» нашого світу, що дійшов до нас відтоді, коли фотони вирвались із первинної плазми. При народженні ці фотони були здебільшого світловими, випромінювання мало типовий спектр абсолютно чорного тіла, схожий на спектр Сонця, однак більше зміщений у червону область. Але розширення Всесвіту зробило довжини хвиль цього світла більшими приблизно у тисячу разів, і зараз пік цього спектра припадає на міліметрові радіохвилі, які можна «зловити» деякими телевізійними антенами.
Мікрохвильове реліктове випромінювання дозволило не лише довести правильність теорії Великого вибуху, але й дізнатись, яким саме був Всесвіт у той момент. Він виявився набагато одноріднішим, аніж зараз, проте навіть тоді у ньому були присутні неоднорідності, що почали рости від його народження. Дані про температурну неоднорідність мікрохвильового фону (а значить, і про величину збурень у момент рекомбінації) дозволили переконатись у присутності темної матерії у нашому світі, допомогли оцінити космологічні параметри Всесвіту з високою точністю та відповідно відновити хронологію його еволюції з доволі точною прив’язкою до часу.
Як уже зазначалося, первинна плазма містила лише водень і гелій. Їхнє співвідношення було приблизно три до одного за масою, тобто близько 75% маси газу припадало на водень, а 25% — на гелій. Але звідки взагалі було взятись останньому? Все просто — він народився у термоядерних реакціях іще раніше. Сьогодні ми називаємо їх первинним нуклеосинтезом.
Первинний нуклеосинтез
В ядрі нашого Сонця відбуваються термоядерні реакції. Під тиском у сотні мільярдів атмосфер і за температури у кільканадцять мільйонів кельвінів ядра атомів водню — протони — можуть подолати кулонівський бар’єр і наблизитись достатньо одне до одного, щоб через ланцюжок реакцій утворити ядра гелію — два протони та два нейтрони, об’єднані в одне ядро. Рухаючись далі в минуле Всесвіту, ми неодмінно впираємось у момент, коли в ньому існували схожі умови. Первинна плазма колись була настільки щільною та гарячою, що кінетичної енергії її протонів також було достатньо, аби вони наближались один до одного настільки, щоб розпочалися термоядерні реакції.
Первинний нуклеосинтез протікав приблизно перші двадцять хвилин існування Всесвіту, починаючи з моменту, коли стало можливим існування самих протонів. Ще в 1950-х роках учені, серед яких був уродженець Одеси Георгій Гамов, оцінили, скільки та яких елементів мало утворитися внаслідок такого нуклеосинтезу. Вони виявили, що, бувши заповненим лише протонами та нейтронами, які у вільному стані досить швидко розпадаються, у первинному нуклеосинтезі Всесвіту повинно насинтезуватись саме ті майже 25% гелію, а також у невеликих кількостях — дейтерію (ізотоп водню, ядро якого складається з протона та нейтрона), гелію-3 (ізотопу гелію без одного нейтрона) та літію-7. Тут саме час згадати нашу аналогію між археологією та космологією. Цього разу «артефактами» для космологів стали наявні хімічні елементи, а точніше — їхнє співвідношення у первинній плазмі. Хоча термоядерне горіння зір і «засмічує» поступово первинні співвідношення, вченим вдалося досить точно поміряти їх у спектрах найстаріших світил. І загалом теоретики були праві! Дослідження не виявили інших ізотопів, окрім згаданих, хоча помітили, що літію-7 значно менше від очікуваного. Зрештою, цьому знайшли пояснення: зорі інтенсивно «спалюють» цей ізотоп. Співвідношення кількості елементів після первинного нуклеосинтезу — це наразі «найдальша» від нас у часі спостережна інформація щодо минулого Всесвіту. Про все інше вчені можуть лише теоретизувати. А теоретизувати є про що.
Перші секунди Всесвіту
Перші десять секунд Всесвіту виявилися надто гарячими навіть для нуклонів — частинок, із яких складаються ядра атомів. Наскільки спекотно було тоді? Як ви знаєте, можна досить легко оцінити середню швидкість атомів і молекул за кімнатної температури — це кількасот метрів за секунду. Теплова ж швидкість частинок у первинній плазмі до остаточного формування протонів і нейтронів лише на дуже малу частку відрізнялася від швидкості світла, недосяжної для фізичних об’єктів, що мають ненульову масу спокою.
Наприклад, за секунду після свого народження Всесвіт мав температуру десятки мільярдів кельвінів — таку ще можна знайти в надрах сучасних зір, нехай і найбільш гігантських. У момент одної десятитисячної долі секунди температура була ще в тисячу разів вищою, а протони зіштовхувалися зі швидкостями, яких досягають тільки в колайдерах. За таких умов їхні зіткнення призводять до народження інших елементарних частинок (наприклад, піонів), які мають дуже короткий час життя, але у надзвичайно густій первинній плазмі встигають провзаємодіяти ще до свого зникнення. Подальший рух у минуле ще вище піднімає температуру та значно розширює «зоопарк» присутніх частинок. У якийсь момент (одна мільйонна доля секунди від народження, кільканадцять квадрильойнів градусів Кельвіна) речовина переходить у стан кварк-глюонної плазми, коли навколишньої енергії настільки багато, що навіть протони та інші адрони не встигають формуватися від взаємодії до взаємодії, а у рівновазі перебувають уже їхні складові — кварки та частинки, що переносять взаємодію між ними (глюони).
У «донуклеосинтезну» епоху у Всесвіті відбулися й інші важливі події. Так, десь на перших секундах свого життя він став прозорим для нейтрино. І тепер він заповнений реліктовим нейтринним фоном, аналогічним до мікрохвильового, який досі не був задетектований безпосередньо через недостатню чутливість сучасних приладів. Нейтрино — частинка, що найслабше взаємодіє з іншою матерією, але в якийсь момент густина була надто високою навіть для них. Однак, аби розібратись у всіх деталях, потрібно пройти курс із фізики елементарних частинок. Тому в цій статті ми зупинилися на перших частках секунди життя Всесвіту. А з цього матеріалу можна дізнатися про те, як відбувалося його безпосереднє народження.
Автор: кандидат фізико-математичних наук, науковий співробітник Астрономічної обсерваторії Львівського університету Максим Ціж.
Ця стаття була опублікована у №6(187) 2021 року журналу Universe Space Tech. Придбати цей номер в електронній чи паперовій версії можна у нашому магазині.
