Кэти Мак - Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики

Если исследование реликтового излучения позволяет нам увидеть Большой взрыв, то ускорители частиц дают нам попробовать на вкус первичный бульон [26] Кроме того, они дают нам подсказку относительно возможного конца времен: результаты недавних открытий говорят о том, что Вселенная может погибнуть в любой момент совершенно неожиданным образом. Однако обо всем этом мы поговорим далее в книге; давайте не будем забегать вперед. Скорее всего, нам все-таки удастся дожить до главы 6. .

После окончания фазы кварк-глюонной плазмы температура Вселенной понизилась достаточно для того, чтобы в ней начали образовываться некоторые из знакомых нам частиц. Спустя примерно одну десятую долю миллисекунды после возникновения Вселенной в ней сформировались первые строительные блоки обычной материи – протоны и нейтроны, за которыми вскоре последовали электроны. Где-то около двухминутной отметки Вселенная охладилась до комфортной температуры в миллиард градусов Цельсия, что гораздо горячее, чем центр Солнца, но достаточно прохладно для того, чтобы сильное ядерное взаимодействие могло объединить друг с другом только что возникшие протоны и нейтроны. Из них образовалось первое атомное ядро – форма водорода, называемая дейтерием (один протон, связанный с одним нейтроном; технически один протон также может считаться ядром, поскольку он является центром атома водорода). Вскоре такие ядра уже формировались повсюду. Некоторые протоны и нейтроны начали объединяться, образуя ядра гелия, трития, а также лития и бериллия. Этот процесс, называемый первичным нуклеосинтезом, продолжался около получаса до тех пор, пока Вселенная не остыла и не расширилась настолько, что частицы могли удаляться друг от друга на достаточное расстояние и уже не сливаться.

Одним из лучших подтверждений теории Большого взрыва является факт обнаружения тесной связи между нашими наблюдениями за космосом и расчетным количеством элементов, которое мы ожидаем, основываясь на оценках температуры и плотности первичного огненного шара. Это соответствие не совершенное – существует некоторая путаница, связанная с количеством лития, которая может свидетельствовать о какой-то неизвестной пока странности, свойственной ранней Вселенной. Что же касается водорода, дейтерия и гелия, фактическое их количество прекрасно согласуется с тем, которое мы ожидали бы обнаружить, если бы на ранних этапах своего развития весь космос представлял собой одну большую ядерную топку.

Кроме того, факт, что почти весь водород во Вселенной образовался в первые несколько минут после ее возникновения, говорит о том, что большая часть составляющего наш организм вещества в той или иной форме существовала во Вселенной практически на протяжении всей ее истории. Возможно, вы уже слышали, что «мы состоим из звездной пыли» (или «звездного вещества», как выразился Карл Саган), и это абсолютно верно, если судить по массе. Все наиболее тяжелые элементы в нашем теле – кислород, углерод, азот, кальций и т. д. – сформировались позднее, либо в недрах звезд, либо в результате их взрывов. Что касается количества, то самым распространенным элементом в нашем организме является водород (наиболее легкий элемент). Таким образом, мы действительно отчасти состоим из пыли древних поколений звезд. Однако мы также в значительной степени состоим из побочных продуктов Большого взрыва. Так что утверждение Карла Сагана остается в силе: «Мы – способ, которым Космос познает себя».

После окончания стадии первичного нуклеосинтеза содержимое Вселенной начало понемногу успокаиваться. К этому моменту смесь частиц была уже более или менее стабильной и оставалась таковой вплоть до появления первых звезд миллионы лет спустя. Однако на протяжении многих сотен тысяч лет космос все еще представлял собой горячую, гудящую плазму, состоящую в основном из ядер водорода и гелия и свободных электронов, между которыми сновали фотоны (частицы света).

С течением времени Вселенная расширялась, и излучение и материя распространялись. Иногда я представляю эту фазу ранней Вселенной в виде путешествия из центра Солнца наружу, только вместо движения в пространстве в данном случае происходит движение во времени. Оно начинается из центра Солнца, где температура и плотность настолько высоки, что атомные ядра сливаются друг с другом, образуя новые элементы. Внутренняя часть Солнца заполнена светом. Фотоны непрерывно отскакивают от электронов и протонов с такой силой, что им могут потребоваться сотни тысяч лет для того, чтобы достичь поверхности. По мере приближения к ней плазма становится все менее плотной, благодаря чему свет может перемещаться на большие расстояния, не сталкиваясь с препятствиями. После достижения поверхности он может свободно распространяться в космосе.

Аналогичным образом, в результате путешествия во времени, длившегося примерно 380 000 лет, начиная с первых минут существования Вселенной, весь космос превратился из горячей плотной плазмы в охлаждающийся газ из протонов и электронов, способных объединиться в нейтральные атомы, позволяя свету свободно распространяться между ними вместо того, чтобы постоянно отскакивать от заряженных частиц. Мы называем конец этой стадии огненного шара ранней Вселенной «поверхностью последнего рассеяния», поскольку речь идет о своего рода поверхности во времени, когда свет высвобождается из плазменной ловушки и получает возможность беспрепятственно путешествовать сквозь космос.

Именно это мы видим, когда наблюдаем космическое микроволновое фоновое излучение: момент, определяющий окончание Горячего Большого взрыва и переход ко Вселенной, в которой свет распространяется в темном и безмолвном пространстве. Этот момент также можно считать началом космического периода Темных веков, – промежутка времени, в течение которого газ медленно охлаждался и конденсировался в сгустки под воздействием первичных колебаний плотности. Примерно у отметки в 100 миллионов лет один из этих сгустков становится настолько плотным, что на его месте вспыхивает звезда, знаменующая начало эпохи, получившей название «Космический рассвет».

Превращение темной, наполненной газом Вселенной в космос, залитый светом звезд и галактик, в основном было обусловлено некой экзотической материей, которую нам пока не удалось воссоздать в самых мощных ускорителях частиц. Наряду с излучением, газообразным водородом и другими первичными элементами в ранней Вселенной существовало вещество, которое мы называем темной материей. Хотя на самом деле она не темная, а невидимая, – кажется, что она совершенно не желает каким-либо образом взаимодействовать со светом. Она ничего не излучает, не поглощает и не отражает. Насколько мы можем судить, луч света просто проходит сгусток темной материи насквозь. Однако темная материя способна оказывать гравитационное воздействие. Когда обычная материя пытается сконденсироваться в сгусток под действием собственной гравитации, она испытывает давление, направленное в обратную сторону. Однако темная материя способна конденсироваться, не ощущая воздействия этой силы. Побочным эффектом отсутствия взаимодействия со светом оказалось то, что эта материя вообще ни с чем не взаимодействует, поскольку в большинстве случаев столкновения между частицами материи происходят вследствие электростатического отталкивания, условием которого является взаимодействие со светом. (Фотоны представляют собой частицы света, однако они также переносят электромагнитное взаимодействие, поэтому нечто невидимое не испытывает электромагнитного притяжения или отталкивания). Нет электромагнетизма – нет давления.