Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Уоллер Уильям

(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.

Сама по себе теория Большого взрыва не может объяснить необычайную плоскостность, изотропность и однородность Вселенной, на которые нам указывает характер космического микроволнового фона. И здесь на сцену выходит эпоха инфляции. Резко увеличив пылинку пространства-времени на самой ранней стадии возникновения Вселенной, космическая инфляция сгладила и вещество, и излучение, которым предстояло эволюционировать в нашу сегодняшнюю Вселенную. Она еще не подтверждена экспериментально, но многие астрофизики полагают, что эту проблему решат будущие измерения поляризации волн в космическом микроволновом фоне.

Эта глава заканчивается эпохой атома, когда Вселенная состояла из нейтральных атомов и потока видимых фотонов, а ее температура составляла около 3000 К. Однако не стоит пренебрегать вечно таинственной темной материей и темной энергией.

И более того, возникает впечатление, что формирование галактик, а также галактических скоплений и сверхскоплений из крошечных сверхплотностей, проявленных в космическом микроволновом фоне, особенно зависит от расположения темной материи. В следующей главе, посвященной образованию галактик, мы поговорим о ее гравитирующей роли, а также обсудим еще несколько важных вопросов.

10. Возникновение галактик

В любом хаосе есть космос и в любом беспорядке — скрытый порядок.

Карл Юнг. Современный человек в поисках души

Сложности, связанные с формированием галактик, проявляются уже в крошечных флуктуациях, заметных в космическом микроволновом фоне. Если интерпретировать их как избыточную или недостаточную плотность вещества, составляющую всего несколько частей на 100 000, то как эти намеки на структуру могли появиться в гораздо более плотных галактиках, скоплениях галактик и сверхскоплениях, населяющих сегодняшнюю Вселенную? Кроме того, расширение должно было произойти очень стремительно. Изображение небольшой области в созвездии Большой Медведицы, полученное при помощи телескопа «Хаббл», и сверхчеткие снимки, сделанные в дальнейшем, позволили выявить галактики с красным смещением 5 и более — а это значит, что они сформировались по прошествии менее чем миллиарда лет после Большого взрыва. Как столь резкое сгущение вещества могло произойти так быстро?

К сожалению, нам еще только предстоит построить телескопы, мощности которых хватило бы для исследования так называемых Темных веков — эпохи, которая началась спустя 400 000 лет после Большого взрыва и завершилась по прошествии миллиарда лет после него. Снимки, сделанные «Хабблом», позволили нам мельком заглянуть в эту черную бездну и предположить, что первые галактики были относительно маленькими и причудливыми — и безудержно рождали новые звезды. Этот «наблюдательный тупик» слегка разрешится в следующем десятилетии, когда мы задействуем космический телескоп «Джеймс Уэбб» (наблюдающий в ИК-диапазоне), радиоинтерферометр SKA (наблюдающий в радиодиапазоне) и другие передовые телескопы.

Моделируемые сценарии

За последнее десятилетие команды астрофизиков, создающие численные модели, добились огромных успехов. Используя самые мощные суперкомпьютеры, многочисленные группы ученых воображали самые разные сценарии, пытаясь понять, как из расширяющегося и остывающего «бульона» темной материи и атомов возникли галактики (рис. 10.1). Как правило, эти сценарии начинаются с темной материи, поскольку под воздействием притяжения она могла начать сливаться в единое целое еще до эпохи рекомбинации. В то время обычное вещество по-прежнему пребывало в состоянии ионизированной плазмы, и поэтому стремительные потоки фотонов, продолжавшие с ней взаимодействовать, не давали ему застыть. Напротив, темная материя, не испытывавшая никаких влияний, могла пойти своим путем и гравитационно откликаться на любые первичные флуктуации, которые в это время распространялись по космосу. Предполагаемое сгущение темной материи в огромные кластеры и нити могло бы подготовить декорации для появления космической паутины, а также для формирования галактик внутри ее прядей и узлов.

Рис. 10.1. Графическое представление эволюционирующей Вселенной, включая Темные века, эпоху формирования галактик, реионизацию и последующие преобразования в текущую эпоху. (Материалы любезно предоставлены NASA.)

Как только Вселенная остыла настолько, что электроны смогли воссоединиться (рекомбинировать) с ионами и тем самым сформировать нейтральные атомы, фотоны утратили способность взаимодействовать с обычным веществом. Атомы водорода, гелия и других легких изотопов, получив свободу, устремились к центрам притяжения, впервые установленным темной материей. Еще в конце XX века теоретики говорили о том, что после рекомбинации плотность окружающей среды и температура Вселенной должны были оказаться наиболее благоприятными для возникновения относительно небольших сгустков протяженностью в несколько сотен световых лет и массой около миллиона масс Солнца. Будь эти сгустки хоть немного меньше, их собственной гравитации уже не хватило бы для противодействия всепроникающему давлению газа; а также, что значительно важнее, уменьшились бы шансы при помощи тяготения отделить столь огромное облако от расширяющейся среды.