2. Первые мгновения Вселенной

Верн¸мся к реликтовому излучению. Оно было свидетелем процессов, происходивших во Вселенной на самых ранних е¸ этапах. Ниже рассматривается эволюция горячей Вселенной в рамках Стандартной Космологической Модели.

Современные космологические теории рассматривают эволюцию Вселенной, начиная с планковского момента t_Pl после Большого Взрыва:

t_Pl = = 5.410^-44 ñåê. (14.4)

Планковский момент отвечает “планковским условиям” - планковским энергиям частиц (10¹⁹ ГэВ), их планковской температуре (10³² К) и характерным расстояниям между частицами, равным планковской длине (10^-33 см). Диаметр Вселенной в этот момент был всего лишь несколько микрон, а плотность 10⁹⁴ ã/ñì³. Привычные представления о пространстве и времени вряд ли применимы к столь экстремальным условиям. Происходит распад на кванты единого непрерывного пространства-времени (линейно-временной масштаб этих квантов соответствует вышепривед¸нным планковским значениям). Квантовые флуктуации пространства-времени, по-видимому, лишают смысла понятия “прошлое”, “будущее”, “причинность”. Квантовые флуктуации при t<10^-43 сек могли стать причиной возникновения крупномасштабной структуры Вселенной.

Для врем¸н, больших планковских (t>t_Pl), сценарий эволюции взаимодействий, предсказываемый современными едиными теориями, уже был показан на рис. 13.9. Вселенная сразу после Большого Взрыва должна была “испытать на себе” действие этого сценария. Соединение космологии и единых теорий позволяет, начиная с планковского момента, воспроизвести эволюцию остывающей Вселенной в виде таблицы 14.2.

Для связи между собой физических величин в различные моменты времени, помимо формул (14.1), удобно использовать сле-дующие соотношения для средних энергий E частиц и характерных

расстояний r между ними:

E(ÃýÂ) 10^-13 T (Кельвин), r(см) 210^-14/E(ÃýÂ). (14.5)

Первое из них следует из хорошо известной формулы EkT, а второе - из соотношения неопредел¸нностей rpc = rE c.

Сразу после планковского момента (t>t_Pl) единое поле распалось и от него отделилось гравитационное взаимодействие. Интервал 10^-43-10^-36 сек соответствует эпохе Великого Объединения тр¸х взаимодействий - слабого, электромагнитного и сильного. Момент 10^-36 сек отвечает концу Великого Объединения. При этом отделяется сильное взаимодействие. Конец Великого Объединения наступает при T10²⁸ K, характерных энергиях частиц 10¹⁵ ГэВ и масштабах расстояний 10^-29 ñì.

Таблица 14.2

Догалактические этапы эволюции Вселенной

Время после Большого Взрыва	Характерные температуры, K	Характерные расстояния, ñì	Этап/Событие
< 10-43 cåê	> 1032	< 10-33	Квантовый хаос. Суперсимметрия (объединение всех взаимодействий).
10-43 ñåê	1032	10-33	Планковский момент. Отделение гравитационного взаимодействия.
10-43 - 10-36 ñåê	1032 - 1028	10-33 - 10-29	Великое Объединение (электрослабого и сильного взаимодействий).
10-36 ñåê	1028	10-29	Конец Великого Объединения. Разделение сильного и электро-слабого взаимодействий.
10-36 - 10-32 ñåê	1028 - 1026	10-29 - 10-27	Инфляция. Возникновение асимметрии между веществом и антивеществом.
10-10 ñåê	1015	10-16	Конец электрослабого объединения.
10-6 ñåê	1013	10-14	Кварк-адронный фазовый переход.
10-10-10-4 ñåê	1015-1012	10-16 - 10-13	Адронная эра. Рождение и ан-нигиляция адронов и лептонов.
10-4 - 10 ñåê	1012-1010	10-13- 10-10	Лептонная эра. Рождение и аннигиляция лептонов.
0.1 - 1 ñåê	21010	10-11	Отделение нейтрино. Вселенная становится прозрачной для нейтрино (антинейтрино).
102 - 103 ñåê	109	10-10 - 10-9	Дозвездный синтез гелия.
10 ñåê - 30 000 ëåò	1010 - 104	10-10-10-5	Радиационная эра. Доминиро-вание излучения над веществом.
30 000 ëåò	104	10-5	Начало эры Вещества. Вещество начинает доминировать над излучением.
300 000 ëåò	3103	10-4	Образование атомов. Разделение вещества и излучения (Вселенная прозрачна для излучения).

Составляющими Вселенной в рассматриваемый период (10^-43-10^-36 сек) были все известные фундаментальные частицы, включая их гипотетических суперпартнеров (табл. 13.2, 13.3). Все частицы безмассовы. В момент крушения Великого Объединения переносчики сил Великого Объединения X- è Y-бозоны приобрета-ют массы 10¹⁵-10¹⁶ ÃýÂ/ñ², остальные частицы остаются безмассо-выми вплоть до 10^-10 сек, когда рушится электрослабая симметрия и происходит разделение электромагнитного и слабого взаимодействий. При этом кварки, лептоны и промежуточные бозоны (W,Z) приобретают массы. Концу электрослабого объединения соответствует T=10¹⁵ K, энергии частиц 100 ГэВ, масштабы расстояний 10^-16 см. За сч¸т аннигиляции и распада X- è Y-бозоны и их античастицы при t>10^-36 сек исчезают.

Вначале вещество имело столь высокую температуру, что кварки не могли объединиться в адроны, так как высокая тепловая энергия вновь разрушала адроны. К 10^-6 сек Вселенная охладилась настолько (T=10¹³ K), что стало возможным слияние кварков в адроны. Произош¸л кварк-адронный фазовый переход с образова-нием адронов и антиадронов, интенсивно взаимодействующих между собой.

Помимо распадов частиц основными процессами, идущими на самых ранних этапах горячей Вселенной, являются рождение -квантами пар частица-античастица и аннигиляция этих пар, вновь приводящая к образованию -квантов. В состоянии термоди-намического равновесия прямой и обратный процессы идут с одинаковой скоростью и плотность частиц и античастиц близка к плотности -квантов. Поэтому основные реакции, происходившие во Вселенной в этот период, можно записать следующим образом:

ЧАСТИЦЫ + АНТИЧАСТИЦЫ -КВАНТЫ.

Т.е. в горячей Вселенной должно было быть колоссальное количество античастиц, равное числу частиц, и примерно равное числу -квантов. В этот период Вселенная была непрозрачна для -квантов и реакции образования пар частица-античастица из -квантов шли с высокой скоростью.

С началом образования из кварков адронов энергии -квантов какое-то время были достаточны для рождения адронов (антиадронов). Этот период эволюции Вселенной носит название эры адронов. Она начинается примерно при t=10^-10 сек и заканчивается к 10^-4 ñåê. Конец адронной эры наступает тогда, когда энергия излучения становится меньше энергии покоя самого л¸гкого адрона - -мезона.

В условиях дальнейшего падения температуры и давления, когда рождение пар адрон-антиадрон уже невозможно, а их аннигиляция и распад, естественно, продолжались, происходило быстрое уменьшение числа адронов. Уменьшение числа адронов (антиадронов) привело к повышению числа л¸гких частиц - лептонов, являющихся продуктами распада адронов. На этом этапе энергия фотонов была ещ¸ достаточна для рождения пар лептон-антилептон. Этот период называют лептонной эрой и основные процессы, происходившие в эту эру, можно представить следующей схемой:

Адроны + Антиадроны -кванты Лептоны + Антилептоны.

В лептонную эру также наблюдалось тепловое равновесие, при котором лептон-антилептонные пары рождались и аннигилировали примерно с одинаковой скоростью. Вселенная в этот период, помимо фотонов, состояла из лептонов (антилептонов) - в основном электронов (позитронов), нейтрино (антинейтрино) и небольшого количества легчайших барионов - протонов и нейтронов, оставшихся после адронной эры. К этому небольшому избытку барионов мы верн¸мся ниже. Лептонная эра завершается примерно к десятой секунде, когда температура падает до 10¹⁰ К и энергии фотонов становятся недостаточными для рождения пары самых л¸гких заряженных лептонов - e^-e⁺.

В лептонную эру произошло ещ¸ одно важное событие - через несколько десятых долей секунды после Большого Взрыва Вселен-ная стала прозрачной для нейтрино (антинейтрино). Энергии пар нейтрино-антинейтрино уже недостаточны для создания пар e^-e⁺. В дальнейшем нейтрино (антинейтрино) и вещество расширялись независимо - изменение температуры и давления нейтрино не совпадало с изменением температуры и давления остальной части Вселенной. Нейтринный газ в дальнейшем только охлаждался за сч¸т расширения. Число нейтрино при этом должно было сохраниться неизменным до наших дней. Их концентрация должна быть примерно такой же, как и для реликтовых фотонов. Однако, в связи с тем, что отделение нейтрино произошло раньше, чем излучения, температура реликтовых нейтрино должна быть несколько меньше. К настоящему моменту нейтринный газ должен охладиться до 1.9 К для безмассовых нейтрино (при mc²=30 эВ температура будет 0.005 К). Обнаружение реликтовых нейтрино - важная и сложная проблема.

Можно оценить верхнюю границу массы реликтовых нейтрино, исходя из наблюдаемой плотности вещества во Вселенной (10^-29 ã/ñì³). Такая оценка приводит к следующему условию на суммарную массу тр¸х типов нейтрино:

()c² < 100 ýÂ,

существенно ограничивая массы мюонного и тау-нейтрино по сравнению с лабораторными измерениями.

На смену лептонной эре приходит радиационная эра. В начале этой эры было ещ¸ много лептонов, но за сч¸т аннигиляции они быстро исчезали, превращаясь в излучение. Таким образом, Вселенная от состояния, когда плотность массивных частиц была близка к плотности фотонов, перешла к состоянию, в котором плотность фотонов на много порядков превосходила плотность частиц с массой. Вселенная практически полностью стала состоять из фотонов и нейтрино.

В начале радиационной эры излучение интенсивно взаимо-действовало с заряженными частицами (протонами, электронами), входившими в состав Вселенной. За сч¸т расширения происходило охлаждение Вселенной, в том числе и фотонов. Фотоны охлаждались за сч¸т эффекта Допплера при отражении от удаляющихся частиц. Увеличение длины волны фотонов связано с увеличением расстояния R между удаляющимися при расширении Вселенной частицами следующим соотношением

. (14.6)

При дальнейшем расширении Вселенной отношение концентраций фотонов и массивных частиц оста¸тся постоянным. Эти концентрации пропорциональны , ãäå R - радиус Вселенной, т.е. уменьшаются с одинаковой скоростью. При этом энергия не имеющего массы фотонного газа, в соответствии с (14.6), неограниченно стремится к нулю (в целом плотность энергии излучения падает с расширением пропорционально ). В то же время полная энергия массивных частиц ограничена снизу их суммарной массой покоя.

Примерно через 30 000 лет после Большого Взрыва, когда температура падает до T10⁴ K, суммарная энергия, заключ¸нная в веществе (с уч¸том массы), начинает превосходить суммарную энергию излучения. Во Вселенной начинает доминировать вещество и на смену радиационной эре приходит эра вещества.

При достижении T310³ К происходит объединение протонов и электронов в атомы водорода (рекомбинация). Плазменное состояние вещества Вселенной сменяется состоянием нейтральных атомов (среди них уже есть атомы дейтерия и гелия) и излучение переста¸т взаимодействовать с веществом. Вселенная становится прозрачной для излучения. Это происходит примерно через 300 000 лет после Большого Взрыва, когда плотность вещества снижается до 10^-20 ã/ñì³. Начиная с этого момента, фотоны реликтового излучения охлаждаются, двигаясь свободно в расширяющейся Вселенной (е¸ поперечный размер в это время 10²⁵ см). Увеличение длины их волны (смещение в красную область спектра) с ростом масштабов Вселенной также да¸тся формулой (14.6). В настоящее время, как уже отмечалось, температура реликтового излучения упала до 2.7 К. Это излучение равномерно пронизывает вс¸ пространство и практически изотропно (имеются данные о слабой анизотропии этого излучения).

Разделение вещества и излучения привело к усилению влияния первичных неоднородностей в распределении вещества, что в свою очередь привело к образованию галактик и сверхгалактик. Более мелкие неоднородности привели к образованию зв¸зд. Этот этап развития Вселенной продолжается и в настоящее время.

В радиационную эру произошло другое важное событие - в результате синтеза образовалось первое ядро тяжелее водорода. Условия для синтеза легчайших ядер возникли во Вселенной примерно через минуту после Большого Взрыва. При ещ¸ достаточно высокой плотности (50 г/см³) температура снизилась настолько (10⁹ K), что при столкновении протона и нейтрона стали эффективно образовываться ядра дейтерия. Соударение двух ядер дейтерия открывает путь к возникновению гелия. Цепочка основных реакций синтеза гелия выглядит так:

p + n ²H + ,

²H + ²H ³H + p (èëè ³He + n),

³H + ²H ⁴He + n, (14.7)

³H + p ⁴He + .

За короткое время (по-видимому, не более четверти часа) 20-25% вещества Вселенной (по массе) превратилось в гелий. При этом практически все нейтроны в результате цепочки реакций (14.7) оказываются связанными в ⁴He. Последовавшее за этим снижение температуры и плотности Вселенной остановило реакции синтеза.

Изложенный механизм образования гелия позволяет количественно объяснить распростран¸нность гелия во Вселенной и является сильным аргументом в пользу догалактической фазы его возникновения и всей концепции Большого Взрыва. В звездах образуется лишь 1% гелия.