Большой взрыв: после инфляции

Большой взрыв включил гигантский ускоритель частиц, и Вселенная стала стремительно расширяться и видоизменяться. Процессы рождения и гибели частиц менялись стремительно и непрестанно. Это предопределило всю дальнейшую эволюцию Вселенной и тот облик её, который нам знаком. Расширение Вселенной представляет собой процесс, в ходе которого при непрерывно возрастающем объёме количество элементарных частиц остаётся прежним.

В первый момент Большого взрыва всё вещество представляло собой раскалённую, очень насыщенную смесь различных частиц, античастиц и гамма-фотонов высоких энергий. Частицы, сталкиваясь, взаимоуничтожались и рождались вновь. Мы уже рассматривали и инфляционную модель расширения Вселенной, теперь посмотрим как эволюционировала Вселенная после неё. Первые моменты жизни Вселенной принято делить на эпохи:

Эпоха электрослабых взаимодействий. Происходит в период с 10⁻³² по 10⁻¹²  после Большого Взрыва. Вселенная все ещё очень горячая, электромагнитные взаимодействия и слабые взаимодействия пока представляют собой единое электро-слабое взаимодействие. За счёт очень высоких энергий образуются новые частицы: бозон Хиггса, W- и  Z-бозоны .

Эпоха кварков. Это период кварк-глюонной плазмы. Она продолжалась от 10^-12 до 10^-6 секунды. Фундаментальные взаимодействия генерируются в нынешнем их варианте. Кварки пока не могут складываться в адроны из-за высоких значений температуры и энергии.

Адронная эпоха. Между 10^-6 и 100 секундами начинается группирование кварков в адроны – нейтроны и протоны. Спустя 2 секунды после Большого взрыва высвобождающиеся нейтрино начинают двигаться в пространстве.

Лептонная эпоха. Основная часть адронов и антиадронов аннигилирует, и остаются пары: лептон-антилептон. Когда прошло 3 секунды, температурные значения опускаются до предела, когда лептоны больше не могут образовываться. Большая часть их и антилептонов аннигилирует.

Эпоха нуклеосинтеза. Этот период длится с сотой секунды до 3-х минут. Охлаждение материи достаточно, чтобы начали образовываться стабильные нуклоны. Начинается процесс первичного нуклеосинтеза. Происходит образование первичного состава звёздного вещества: почти 25% гелия-4, 1% дейтерия, а также следы элементов, вплоть до бора. И оставшаяся часть вещества – водород.

Протонная эпоха. Этот период уже более ощутим по времени – от 3-х минут до 380000 лет. До 70000 лет происходит доминирование вещества над излучением, и это изменяет режим расширения Вселенной. К 380000-му году водород рекомбинируется, вследствие чего Вселенная приобретает прозрачность для фотонов теплового излучения, а гравитация становится главной силой.

Эпоха первичной рекомбинации. К временной отметке 379000 лет температура снизилась до 3000 °К. Плазменное состояние материи, непрозрачное для основной части электромагнитного излучения, приобрело газообразное состояние. В нынешнее время следы излучения того периода наблюдается как реликтовое излучение.

Тёмные Века. 380000 – 550 млн. лет. Наблюдается доминирование водорода, гелия и реликтового излучения, являющегося фотонами, излучёнными плазмой. Оно и теперь доходит до Земли, пронзая всё расширяющееся пространство Вселенной. Сфера, подвластная нашим наблюдениям – «поверхность последнего рассеяния», является самым удалённым объектом, видимым в электромагнитном спектре.

Реионизация. Вторичная ионизация водорода продолжалась от 550 млн. до 800 млн. лет. Гравитационное притяжение стимулирует распределение вещества по кластерам. Первые плотные объекты того периода – квазары. После начали возникать первые формы газопылевых туманностей и галактик. Во вновь образовавшихся звёздах синтезируются элементы тяжелее гелия. В 2007 году Р. Эллис отыскал несколько звёздных скоплений, образовавшихся 13,2 млрд. лет назад. Получается, что они образовывались, когда наша Вселенная имела всего 500 млн. лет от роду.

Рождение галактик

Иерархическая теория возникновения галактик. Окончание Тёмных Веков стало началом образования галактик. Современное видение этого процесса подразумевает объединение этих объектов из небольших образований. Эта теория названа иерархической. Из положений этой теории следует, что гравитационное объединение стало собирать звёзды в скопления, а потом и в галактики. Однако не доказано, что процесс протекал именно так. Новейшие телескопы могут «увидеть» объекты, которые существовали уже через 400000 лет после свершения Большого взрыва. Значит, в этот период галактики были уже сформировавшимися.

Инфляционная теория возникновения галактик. Этот вариант базируется на особенностях квантовых флуктуаций, непрерывно происходящих в вакууме. В ходе инфляционного расширения тоже имели место эти флуктуации. Расширение Вселенной происходило со сверхсветовыми скоростями, поэтому расширялись и флуктуации, а параметры их могли превышать начальные в (10¹⁰)¹² раз. Из-за этих флуктуации Вселенная стала  неоднородной, и за 400000 лет под действием гравитационного сжатия из этих неоднородностей получились газовые туманности, позднее ставшие галактиками. Согласно ей, сначала образовывались крупные галактики, а потом уже более мелкие.

Рождение звёзд

Процесс массового формирования звёзд из межзвёздного газа получил название звёздообразования. Обычно для протекания этого процесса достаточно области, имеющей размеры не более 100 пк. Но бывают и сверхассоциации, которые можно сопоставить с размерами галактики. И наш Млечный Путь, и другие галактики имеют объекты, находящиеся на стадии звёздообразования. Процесс образования и эволюции звёзд проходит в несколько этапов:

• Формируются большие газовые комплексы (масса – от  10⁷ солнечных);
• В комплексах появляются молекулярные облака;
• Происходит гравитационное сжатие облаков до образования звезды;
• Непосредственно жизнь звезды, под действием термоядерной реакции в недрах звёзд образуются новые элементы;
• Вспышки новых и сверхновых за счет выгорания топлива, или образование звёзд-карликов;

Жизнь самых массивных звёзд не очень долгая – миллионы лет, а сам факт их существования подтверждает, что процессы звёздообразования происходят и теперь. Молодые звёзды чаще всего существуют в виде рассеянных скоплений и звёздных ассоциаций, составляющие десятки и сотни объектов. В созвездии Орион можно наблюдать действующий процесс звёздообразования из гигантского газового комплекса.

Рождение планет

Пока не совсем ясно, какие процессы формировали планеты и планетные системы. Но по всем имеющимся данным определённо можно сказать, что:

• Планеты образовываются ещё до того, как рассеялся протопланетный диск звезды;
• Большое значение имеет аккреция (вещество падает на поверхность звезды из окружающего пространства);
• Набирают массу рождающиеся планеты за счёт планетезималей (постепенно приращивая массу за счет мелких частиц).

Формирование планет заканчивается, когда молодая звезда включает свой термоядерный реактор. В результате ядерных реакций создаётся солнечный ветер, который своим давлением рассеивает протопланетный диск. Создание планет из протопланетного диска может происходить по двум основным сценариям.

1. Аккреционный. Из пыли образуются планетезимали. Некоторые из них становятся доминирующими, и именно они и станут протопланетами. Если протопланета окружена большим количеством газа, то может получиться планета-гигант, которая будет наращивать массу за счёт аккреции.
2. Гравитационный коллапс. Протопланетный диск является объектом самогравитирующим, поэтому он подвержен нестабильностям. Из таких нестабильностей и образуются планеты, постепенно наращивая свою массу.

Солнечная система

4,6 млрд. лет назад начала формироваться наша планетная система из  части молекулярного облака, в центре которого образовалось Солнце. По последним данным, в начале своей жизни наша планетная система имела несколько иной вид: внешние её границы были более компактны, пояс Койпера был придвинут намного ближе к Солнцу. Количество планет, находящихся во внутренней части и имевших размеры не меньше, чем у Меркурия, было гораздо большим.