Александр Петров - Гравитация От хрустальных сфер до кротовых нор

Если плотность тёмной энергии постоянна во времени, то Вселенная будет всегда испытывать ускоренное расширение, даже если она оказалась пространственно замкнутой. Большинство галактик удалится от нашей на значительно большие расстояние, чем сейчас, и наша Галактика вместе с немногими соседями окажется островком в пустоте.

Если тёмная энергия — это квинтэссенция (это состояние материи не столь жёсткое, как состояние эффективной космологической постоянной с неменяющейся плотностью энергии), то в далёком будущем ускоренное расширение может прекратиться и даже смениться сжатием.

Самая драматическая судьба ожидает Вселенную, если тёмная энергия — это, так называемый, фантом, причём такой, что его плотность энергии возрастает неограниченно. Расширение Вселенной будет все более и более быстрым, оно настолько ускорится, что галактики будут вырваны из скоплений, звезды из галактик, планеты из Солнечной системы. Мало того, электроны оторвутся от атомов, а атомные ядра разделятся на протоны и нейтроны. Такой конец называют большим разрывом. Все это, однако, относится к очень отдалённому будущему даже по космологическим меркам. По разным оценкам в ближайшие 20 млрд лет Вселенная будет оставаться почти такой же, как сейчас.

До сих пор мы представляли модели Вселенной в большей мере с точки зрения геометрии и развития этой геометрии во времени. И это вполне соответствует нашей задаче обсуждения гравитационных взаимодействий. Действительно, как мы договорились, в современном научном понимании гравитационные явления должны рассматриваться с позиции искривления пространства–времени. Однако космология без обсуждения эволюции вещества выглядит незавершённой. Необходимо иметь хотя бы общие представления. Поэтому мы кратко изложим основную (наиболее признанную) парадигму эволюции вещества во Вселенной. Она называется моделью горячей Вселенной и предложена в 1948 году Георгием Гамовым (1904–1968). Основная идея состоит в том, что вещество, будучи в начальные моменты очень плотным, должно быть ещё и очень горячим, а по мере расширения остывать.

Прежде всего отметим, что утверждения о самой ранней стадии эволюции Вселенной являются весьма приблизительными. Планковское время 10 –43с считают моментом отделения гравитационного взаимодействия от остальных трёх фундаментальных взаимодействий: электромагнитного, слабого и сильного. Этому времени соответствует планковская температура ~ 10 19ГэВ. Для пояснения, часто температура измеряется энергетическими единицами, как здесь — электронвольтами (эВ), а 10 19ГэВ соответствует 10 32К. С расширением (со временем) температура падает. После «планковского рождения» началась инфляция. Время её завершения приблизительно 10 –37с или более.

После стадии инфляции Вселенная наполнилась обычной материей — известными нам элементарными частицами. В списке известных частиц каждой частице соответствует античастица, например, протову — антипротон и т. д. Но современный мир состоит почти из одних частиц, античастиц — ничтожное количество. Если бы состояние Вселенной после инфляции было строго равновесным, то частиц и античастиц должно было родиться одинаковое количество, они бы все аннигилировали с выделением энергии в виде, скажем, излучения, и нашего мира в современном восприятии не было бы. Прежде всего важно соотношение барионов (это протоны, нейтроны — основа нашего мира) и антибарионов. Но поскольку Вселенная расширяется, то равновесия не возникло, и это, полагают, привело к избытку числа барионов над числом антибарионов, а этот избыток и есть вещество нынешней Вселенной. Момент образования этой асимметрии относят также к моменту окончания инфляции и периоду рождения обычной материи.

Завершением инфляции будем считать время 10 –35с, когда температура остаётся не ниже 10 16–10 15ГэВ (10 29К) и неразличимы взаимодействия различных видов: электромагнитного, слабого и сильного (всех, кроме гравитационного) — они проявляют себя как единое взаимодействие. Этот период называется периодом Великого объединения. С расширением, при температуре ниже 10 15ГэВ, эпоху Великого объединения сменяет эпоха электрослабого объединения, когда только электромагнитное и слабое взаимодействия представляют единое целое.

В момент, когда температура понижается до 100 ГэВ (10 17–10 16К) эпоха электрослабого объединения заканчивается, это называют элетрослабым фазовым переходом и он происходит через 10 –10с после «рождения». Образуются такие элементарные частицы, как кварки, лептоны, глюоны и промежуточные бозоны. Это состояние называется кварк–глюонная плазма, Такие элементарные частицы, как барионы (протоны, нейтроны, и т. д) и мезоны (пионы, каоны, и т. д.), называются адронами и состоят из кварков. В настоящую эпоху нет возможности увидеть кварки свободными — они «намертво» вморожены в частицы. А в то время они были в свободном состоянии равновесной плазмы. Но Вселенная остывает и при возрасте 10 –4с и температуре 100 МэВ (10 12–10 13К) приходит эра, когда становится возможным слияние кварков в адроны (конфаймент кварков). В эту эпоху состав Вселенной начинает походить на современный; основные частицы — это фотоны, помимо них есть только электроны и нейтрино со своими античастицами, а также протоны и нейтроны. В этот период происходит одно важное событие: нейтрино перестают активно взаимодействовать с веществом (то есть вещество становится прозрачным для нейтрино) и далее расширяются самостоятельно. Возникает реликтовый фон нейтрино. К настоящему времени нейтринный газ должен был остыть до 1,9 К, если нейтрино не имеют массы (или их массы пренебрежимо малы).

При температуре 0,7 МэВ и ниже (10 10–10 9К) термодинамическое равновесие между протонами и нейтронами, существовавшее до этого, нарушается и отношение концентрации нейтронов и протонов застывает на значении 0,19. Начинается синтез ядер дейтерия, гелия, лития, Момент начала такого процесса (который называется первичным нуклеосинтезом) от «рождения мира» — около 1 секунды. Примерно через 3 минуты после рождения Вселенной температура падает до значений, при которых синтез ядер уже невозможен, и химический состав вещества остаётся неизменным до момента рождения первых звёзд.

Таким образом, для дозвёздного вещества (по числу атомов) предсказывается: Н(75%), 4Не(25%), D (3·10 –5), 3He(2·10 –5), 7Li(10 –9). Эти цифры хорошо согласуются с новейшими определениями химсостава вещества по линиям в спектрах квазаров на больших красных смещениях.