Одним із найбільших і найскладніших питань сучасної астрономії є питання про те, як народився Всесвіт, і те, як він став таким, яким ми його знаємо сьогодні. Багато чого науковці в цьому плані просто не знають. Але загальне уявлення про те, як народилися енергія та матерія, зорі та галактики, вони мають.
Питання походження Всесвіту
Читачі часто ставлять нам питання, пов’язані з походженням Всесвіту та об’єктів у ньому.
Як все починалося (я про Всесвіт), чому і хто (якщо вони є, ті, хто)? —
питає Людмила Круглик
Чому виникли галактики, якщо вибух був рівномірним розширенням простору? —
цікавиться Олег Гаврилюк
Насправді відповіді на це запитання — частини однієї великої розповіді про те, яким вчені бачать перші секунди, хвилини, роки та мільйони років існування всього, що ми бачимо зараз. Ще відносно недавно, за історичними мірками, ця тема була чисто релігійною. Навіть знаючи, що те, що говориться, наприклад, у Біблії, про створення усього сущого, не відповідає спостереженням, науковці не поспішали будувати власні теорії.
У першій половині XX століття серед фізиків та астрономів жваво обговорювалася тема того, що ніякого «спочатку» насправді не було. Всесвіт існував завжди. І це припущення досі остаточно не спростоване, хоча і стало маргінальною теорією.
Замість цього наука малює зовсім іншу картину народження і ранньої еволюції Всесвіту. З нею ми й хочемо вас познайомити.
Космологічна сингулярність
Згідно з найбільш визнаною на сьогодні теорією, на самому початку вся матерія та енергія нашого Всесвіту, увесь його час та простір були втиснуті у вкрай невеликий об’єм. Ми це знаємо зі спостережень за віддаленими галактиками, які «розбігаються» вусібіч, і чим далі розташовані, тим швидше рухаються.
При цьому це не означає, що ми перебуваємо в центрі Всесвіту, насправді Чумацький Шлях, з погляду когось, хто бачить його з відстані у кілька мільярдів світлових років, теж кудись «тікає». Аналіз швидкостей галактик однозначно вказує на те, що колись усе, що існує, було зібране в одну точку, і цей момент ми й називаємо народженням Всесвіту. Із тим, що все більш-менш так і було, згодні майже всі серйозні дослідники.
А ось на запитання, що було до цього, фізики чесно відповідають «не знаю». На часовій відстані менше 10-43 с після виникнення Всесвіту не працює. І передбачити події в цьому проміжку часу не може не тільки Ньютонівська теорія, а й теорія відносності та квантова механіка. А в момент, коли час Всесвіту дорівнював нулю, рівняння взагалі втрачають сенс. Це — так звана космологічна сингулярність. Ми не можемо дізнатися, що там відбувалося якийсь час і чи була якась причина для виникнення Всесвіту. Цілком можливо, що саме поняття «причина» в той момент не мало сенсу.
Тому науковці не дуже переживають щодо того, що не можуть відповісти на це запитання. Адже їм вистачає загадок в наступних епохах, які наша фізика хоча б може описати.
Планківська епоха
Період історії Всесвіту до часу 10-43 с називають Планківською епохою. Всесвіт в цей час мав діаметр 10−35 м, густину 1097 кг/м³ та температуру 1032 К. Це — максимальні значення цих величин, яким дозволяє існувати фізика. Про те, що відбувалося в цьому крихітному об’ємі в цей час, наука теж не може сказати напевно.
Точно можна стверджувати, що матерії та енергії як чогось окремого одне від одного там не було. Не було ані атомів, ані протонів із нейтронами й навіть чотири фундаментальні взаємодії — гравітаційна, електромагнітна, сильна та слабка — були злиті в одну єдину силу.
При цьому треба розуміти, наскільки коротким був цей період. 10-43 с — це час на 43 порядки менший за секунду. Для порівняння, сама секунда менша за час існування Всесвіту лише на 18 порядків. Тобто йдеться про щось неймовірно коротке, що недоступне навіть нашим вимірювальним пристроям, не кажучи про органи сприйняття.
Епоха великого об’єднання та інфляція
Одразу за Планківською настала Епоха великого об’єднання. Почалася вона з того, що гравітація відділилася від трьох інших взаємодій. Досі однорідний Всесвіт перестав бути таким і достатньо швидко розширювався. Елементарні частинки все ще не утворилися, поняття «маса» та «заряд» не мали сенсу.
Насправді Епоха великого об’єднання також тривала неймовірно крихітний відрізок часу. Вона закінчилася, коли вік Всесвіту складав в 10−36 секунд, густина його дорівнювала 1074 г/см³, а температура — 1027 K. Тобто за цей крихітний час щільність речовини знизилася на 23 порядки, хоча все ще залишалася набагато вищою, ніж всередині атомного ядра.
Епоха великого об’єднання завершилася тим, що у вигляді чогось окремого виділилася сильна взаємодія. Це та сама сила, яка змушує субатомні частинки утворювати протони та нейтрони.
У цей час із Всесвітом відбувається дивовижна річ. У проміжку між 10−36 та 10−32 секунд після народження його розмір збільшився на 26 порядків. Це означає, що він виріс від розмірів менших за протон до приблизно 10 см.
Це називається Епохою інфляції, і вчені щодо неї висувають різноманітні гіпотези. Вважається, що в цей час Всесвітом котилися гравітаційні хвилі, які посилили його неоднорідність і, можливо, спричинили появу того, що зараз називається темною матерією. Що це таке, вчені досі висувають суперечливі теорії. Наприклад, дехто стверджує, що це — первинні чорні діри, які й утворилися внаслідок вищезазначених коливань.
Одночасно у Всесвіті виник вакуум у тому вигляді, який ми знаємо, а вся речовина перебувала у вигляді кварк-глюонної плазми. Жодних протонів, а тим більше атомів все ще не існувало. Температура для них залишалася занадто високою — 1022 К.
Народження матерії
За інфляцією в історії Всесвіту іде Електрослабка епоха. Тривала вона до часу, коли вік всього сущого сягнув 10−12 с. Речовина все ще продовжувала існувати у вигляді кварк-глюонної плазми. Однак це вже були умови, які ми можемо не тільки уявити собі, але й досягти. Вони відповідають найбільшим значенням енергії, отриманим у Великому адронному колайдері.
За час, поки тривала Електрослабка епоха, Всесвіт встиг досягти діаметра 0,6 а.о., тобто трохи більше за діаметр орбіти Венери.
За Електрослабкою настала Кваркова епоха. Вона тривала між 10−12 та 10−5 с. За цей час Всесвіт встиг «охолонути» до трильйона кельвінів, що все ще було занадто гаряче для існування протонів та нейтронів. Проте слабка взаємодія нарешті відділилася від електромагнітної й закони фізики остаточно набули сучасного вигляду.
У віці приблизно 10-5 с Всесвіт охолонув до температур, що спостерігаються в ядрах зір, і настала Адронна ера. Утворилися протони та нейтрони, а також їхні античастинки. Якби на цій стадії кількість речовини та антиречовини виявилася однаковою, матерія надалі не змогла б існувати. Проте звичної нам речовини виявилося трошки більше.
Всесвіт у цей час досяг розміру приблизно 1 світлового року. Протягом наступних 10 секунд народилися нейтрино, які вчені й зараз можуть бачити у вигляді фону цих частинок, а також лептони (наприклад, електрони) та фотони.
Коли Всесвіту виповнилося 10 секунд, температура в ньому знизилася настільки, що нарешті почали народжуватися перші атоми. Цей процес тривав приблизно до 1000 секунд і за цей час встигла утворитися вся та маса, яку ми зараз бачимо у вигляді зір, планет та туманностей. Щоправда, в той час усіх цих об’єктів все ще не існувало.
Приблизно чверть усіх атомів, що утворилася, була гелієм, ще 5 відсотків припадало на дейтерій і зовсім мало — на літій та берилій. Решта ж була звичайним воднем. Атомів вуглецю та заліза тоді ще не було.
Темні віки та народження галактик
Починаючи з віку у 10 с розпочинається перший справді тривалий період в історії Всесвіту — Епоха рекомбінації. Всесвіт наповнений гарячою плазмою — «супом» з атомних ядер. Вони породжують велику кількість фотонів, які ми зараз бачимо як реліктове випромінювання.
Весь цей час Всесвіт продовжує розширюватися зі швидкістю, яка перевищує світлову, але при цьому поступово зменшується.
До того як вік Всесвіт сягнув 370 тис. років, він встиг вирости до 42–46 млн світлових років. Для порівняння, Чумацький Шлях має діаметр приблизно 100 тис. світлових років, і навіть сусідня Туманність Андромеди розташована лише за 2,2 млн світлових років від нас. Однак все одно Всесвіт у цей час був приблизно у 1000 разів менший за сучасний.
В кінці Епохи рекомбінації температура плазми у Всесвіті знизилася з кількох мільйонів кельвінів до приблизно 4000, що менше, ніж на поверхні Сонця.
Поступово речовина втратила здатність випромінювати фотони й настала нова епоха, відома як Темні віки. У цей час в космосі вже існували великі неоднорідності матерії, однак жодної зорі все ще не було. Всесвіт заповнював нейтральний водень, який випромінював лише радіохвилі на довжині 21 см. Ніколи ані до того, ані після космос не був таким темним.
Темні віки тривали набагато довше, ніж Епоха рекомбінації. Традиційно їхній кінець відносять до часу, коли з моменту Великого вибуху минуло 380 млн років. За цей час він встиг вирости до розміру у 20 разів меншого за теперішній.
Проте, коли насправді закінчилися космічні Темні віки, вчені точно не знають. Протягом всього цього часу в газових хмарах, що заповнювали Всесвіт, наростали неоднорідності. Нарешті, деякі з них перетворилися на перші зорі, і їхнє світло реіонізувало водень, зробивши Всесвіт знову прозорим.
Коли саме це сталося — сказати важко. Останні дослідження показують, що існують галактики, які утворилися набагато раніше межі у 370 млн років. Ми бачимо їх такими, якими вони були, коли Всесвіту виповнилося лише 200–250 млн років. Що ж до окремих зір, то вони могли з’явитися ще коли від часу Великого вибуху минуло тільки 150 млн років.
Хай там як, а Епоха реіонізації тривала до того, як вік Всесвіту сягнув 1 млрд років. Увесь цей час відбувалося формування перших галактик та надмасивних чорних дір у їхніх центрах. Вчені впевнені, що ці два процеси тісно пов’язані й що для їхнього початку Всесвіт в кінці Темних віків вже був достатньо неоднорідним.
А ось щодо того, як саме це відбувалося, поки що питань більше, ніж відповідей. Річ у тім, що і галактики, і чорні діри у них, за даними космічного телескопа James Webb, занадто великі у порівнянні з тим, що передбачають мейнстримні теорії. Натомість карликових галактик, які мали утворитися першими й потім шляхом злиття утворити зоряні системи, подібні до Чумацького Шляху, James Webb виявив дуже мало.
Альтернативна теорія пропонує інший шлях, при якому галактики одразу народжуються як велетенські диски матерії, яка потім розбивається на окремі зорі. А ще є припущення, що першими утворюються саме чорні діри. При цьому цілком можливо, що вони народжувалися одразу шляхом перетворення велетенських хмар газу в зорі з масою в 1000 разів більшою за сонячну. Вони миттєво колапсували, породжуючи монстрів, які починали швидко рости.
Хай там як, а саме в цей момент Всесвіт став таким, яким ми його знаємо зараз. Перше покоління зір швидко проеволюціонувало та вибухнуло як наднові. Вони породили вуглець, залізо та інші елементи, з яких згодом утворилися планети. Але це вже зовсім інша історія.
