Космологія — це наука про Всесвіт загалом, і, таким чином, предметом окремої науки космології є весь Всесвіт. Космологія розглядає найзагальніші закономірності розвитку, найзагальніші епохи в історії Всесвіту. Загальний вік нашого Всесвіту оцінюється в ~15-20 млрд років. Термін «ранній Всесвіт» народився порівняно недавно і, як усякий новонароджений термін, є неусталеним. Різні фахівці називають цим терміном різні епохи розвитку нашого Всесвіту. Так, ще 15-20 років тому, говорячи про ранній Всесвіт, космологи мали на увазі епоху, що відповідає віку від ~300 тисяч років до 1 млрд років від початку його історії.
Нині, коли говорять про ранній Всесвіт, зазвичай мають на увазі епоху, що відповідає віку від ~10-43 секунди до 3 хвилин від початку історії. Це найцікавіша частина історії Всесвіту. У цей період еволюції Всесвіту сформувалося багато його властивостей, які нині виявляються у вигляді габблівського розширення, великомасштабної структури Всесвіту й навіть у вигляді фізичних законів, що діють у нашій частині Всесвіту. Короткому опису основних етапів розвитку нашого Всесвіту присвячено цю статтю.
Епохи в еволюції Всесвіту можна характеризувати, вказуючи час цієї епохи відносно моменту Великого вибуху, однак зручніше характеризувати їх відповідним значенням червоного зміщення z – так в астрономії називають зміщення ліній у спектрах далеких галактик (коли об’єкт віддаляється від спостерігача, його спектральні лінії зміщені в червоне крило спектра відносно лабораторної системи відліку). Щоб зрозуміти фізичний зміст червоного зміщення, припустімо, що імпульс випромінювання (фотон) проходить повз послідовний ряд спостерігачів, кожен із яких відповідає певному етапу стану речовини у Всесвіті, що розширюється. Швидкість фотона стала, але через ефект Доплера частота випромінювання фотона для кожного зі спостерігачів із часом зменшується. Якщо λ н і λ и – довжини хвилі, що поширюється, у місці спостереження та місці випромінювання відповідно, то зміщення спектральних ліній не надто далекої (у космологічному сенсі) галактики визначається рівністю 1+z =λ н/λ и. Таким є історичне визначення поняття червоного зміщення. Точне визначення червоного зміщення через геометричні характеристики Всесвіту – це 1+z =a н/a и, де a н і a и – значення масштабного фактора (див. нижче) відповідно в момент спостереження та в момент випромінювання. Значення червоного зміщення для розглянутих тут епох змінюється від ~1032 до ~108. Основні епохи раннього Всесвіту наведено в табл. 1.
| Назва епохи та відповідні їй фізичні процеси |
Час від Великого вибуху, секунди |
Температура, K |
| Народження класичного простору-часу |
10-43 | 1032 |
| Стадія інфляції |
~10-42-10-36 |
Змінюється в дуже широких межах |
| Народження речовини | 10-36 | ~1029 |
| Народження баріонного надлишку | 10-35 | ~1029 |
| Електрослабкий фазовий перехід | 10-10 | ~1016-1017 |
| Конфайнмент кварків | 10-4 | ~1012-1013 |
| Первинний нуклеосинтез | 1-200 | ~109-1010 |
2. Народження Всесвіту
Момент народження Всесвіту – це епоха народження класичного простору-часу. Загальновизнаною нині вважається теорія Великого вибуху, тобто народження Всесвіту із сингулярності (іноді кажуть, із просторово-часової піни). У момент народження Всесвіту густина ρ й температура T речовини досягали планківських значень: ρpl≈1093 г/см3, Tpl=1,3·1032 К.
Видатний німецький фізик Макс Планк наприкінці минулого століття ввів нову константу, яка тепер має назву сталої Планка ħ. Вона є основною константою у квантовій теорії. Невдовзі після своєї знаменитої праці, де вперше було введено поняття кванта дії, Планк обґрунтував запровадження у фізиці нової системи одиниць, яка нині має назву природної системи одиниць. Користуючись трьома фундаментальними фізичними константами — швидкістю світла c, гравітаційною сталою G і сталою Планка ħ – він сформував основні розмірні величини фізики: одиницю довжини lpl=[ħG/c3]1/2, часу tpl=[ħG/c5]1/2 і маси mpl=[ħc/G]1/2. Із цих одиниць зручно утворити дві нові одиниці вимірювання – планківську густину, визначаючи ρpl=mpl /lpl3, і температуру kTpl=mplc2 (k – стала Больцмана, що пов’язує температуру тіла з кінетичною енергією частинок, які його утворюють). Слід зазначити, що визначення планківської довжини lpl=[ħG/c3]1/2 збігається з еквівалентним визначенням такої одиниці, як комптонівська довжина хвилі lpl=ħ/(mplc) для частинки з масою mpl. Докладне обговорення систем одиниць у сучасній фізиці та методичне значення правильно вибраної системи одиниць містяться у статті Л.Б. Окуня «Фундаментальные константы природы» в цьому томі.
Від моменту Великого вибуху Всесвіт безперервно розширюється, температура речовини знижується, а об’єм зростає. Описуючи народження Всесвіту, використовують найзагальніші ідеї про квантову еволюцію Всесвіту як цілого. Одна з них стверджує, що повна маса замкненого Всесвіту дорівнює нулю. Це означає, що весь Всесвіт може народитися без витрат енергії, тобто з нічого. Імовірність народження Всесвіту з радіусом кривини $H^{-1}$ визначається як
Процес розширення Всесвіту заведено описувати за допомогою масштабного фактора a(t), який характеризує зміну з часом відстаней між космологічними об’єктами.
 |
Рис. 1. Еволюція масштабного фактора з часом. Хвилястою лінією показано область квантової еволюції Всесвіту, суцільною лінією – область квазікласичної еволюції та вихід на інфляційну стадію |
На рис. 1 схематично подано залежність масштабного фактора a від часу t. Ліворуч від осі ординат (при t<0) розташована класично заборонена область, масштабний фактор у цій області зазнає сильних флуктуацій простору-часу. Цю область умовно назвали «ніщо». Тут класичний простір-час не існує, подібно до того, як не існує класичної траєкторії звичайної ядерної α-частинки під час тунельного переходу.
3. Всесвіт, що розширюється
Після народження Всесвіту з «нічого» можна користуватися неквантовими рівняннями загальної теорії відносності (ЗТВ) для опису еволюції масштабного фактора. Рівняння ЗТВ однозначно передбачають закон розширення Всесвіту, якщо відомі густина енергії αc2 і тиск p речовини (в однорідній та ізотропній моделі). Густину енергії часто виражають за допомогою параметра Ω=ρ/ρкр, а тиск – через рівняння стану p(ρ). Тут ρкр – критична густина Всесвіту, яку виражають через параметр Габбла H: ρкр=3H 2/(8πG).
У загальній теорії відносності основною функцією є метрика, або просторово-часовий інтервал між двома подіями. У космології ж основною функцією є масштабний фактор a(t), який визначає також і метрику простору-часу та має розмірність довжини. Функція a(t) визначається зі спільного розв’язку рівнянь Фрідмана та рівняння стану речовини у Всесвіті (тобто залежністю тиску речовини від густини).
Фізичний зміст рівнянь Фрідмана зрозумілий із такого прикладу. Якщо подумки в однорідному та ізотропному Всесвіті, що розширюється, описати коло радіуса a навколо деякої точки, то перше рівняння Фрідмана є рівнянням збереження енергії під час розширення цієї елементарної сфери. Питома кінетична енергія такої сфери
Закон розширення Всесвіту залежить також від рівняння стану речовини.
У космології розрізняють три основні рівняння стану. Це пилоподібне рівняння стану (p=0), рівняння стану за домінування випромінювання ( p=ρc2/3) та рівняння стану хибного вакууму ( p=-ρc2), або інфляційне. Для сучасного Всесвіту, який описують пилоподібним рівнянням стану, залежність масштабного фактора від часу має вигляд a(t)∝t2/3. У ранньому Всесвіті для масштабного фактора характерна інша поведінка. Через 10-42 секунди після народження класичного простору-часу у Всесвіті починається інфляційна стадія. Вона характеризується гранично сильним від’ємним тиском p=-ρc2 (стан хибного вакууму), за якого змінюються самі закони звичайної гравітаційної фізики. Речовина в цьому стані є джерелом не притягання, а відштовхування.
Від’ємний тиск має простий фізичний зміст – це сили натягу. Якщо звичайний додатний тиск перешкоджає стисканню речовини, то від’ємний тиск перешкоджає її розтягуванню. Проте в лабораторних умовах таке рівняння стану не трапляється: за такого рівняння виникає дуже великий (релятивістський) від’ємний тиск, який діє незалежно від напрямку (паскалівський тиск). Натяги у звичайному твердому тілі (наприклад, у гумі) є непаскалівськими, вони виникають лише в одному напрямку. У випадку рівняння стану p=-ρc2 густина не залежить від часу та масштабного фактора, тобто під час інфляційної стадії при розширенні Всесвіту густина середовища не змінюється, ρ=const. У звичайній фізиці лише у вакууму густина не змінюється під час розширення, тому такий стан іноді називають станом хибного вакууму.
Підставляючи в рівняння маси вибраної пробної сфери від’ємний тиск хибного вакууму p=-ρc2, отримуємо від’ємну масу. Це означає, що притягання, яке має місце за звичайних рівнянь стану (p=0, p=ρc2/3), змінюється на відштовхування. Рівняння еволюції масштабного фактора набуває вигляду
Нехай дві частинки перебувають на відстані r одна від одної на початку інфляційної стадії t=ti. Відстань між ними змінюється згідно з виразом
Необхідно чітко уявляти різницю між причиною вибуху в бомбі та Великим вибухом у Всесвіті. У бомбі сила, відповідальна за розлітання частинок, спричинена градієнтом тиску всередині вибухової речовини. У Всесвіті з рівнянням стану p=-ρc2 речовина розподілена однорідно й градієнтів тиску немає. Через велике значення від’ємного тиску змінюється знак джерела гравітаційного поля ρc2+3p і виникає ефективна антигравітація, тобто розлітання речовини. Отже, поштовхом до розширення світу, до формування габблівського закону розширення, до встановлення причинного зв’язку у Всесвіті на великих відстанях, а також до зрівнювання кінетичної енергії розширення й потенціальної енергії поля стала ефективна антигравітація, спричинена від’ємним тиском, який, як вважають, існував у ранньому Всесвіті.
Під час стадії інфляції відбувався ще один важливий процес: народження з вакуумних квантових флуктуацій скалярного поля малих збурень густини, а з квантових флуктуацій метрики – гравітаційних хвиль. Матерія з рівнянням стану p=-ρc2 є нестійкою відносно малих збурень. Квадрат швидкості звуку в такому речовині – є від’ємною величиною, тому еволюція малого збурення, описувана експонентою з уявним декрементом, виявляється експоненціально зростаючою або експоненціально згасаючою величиною. Експоненціальне зростання збурення руйнує речовину з від’ємним тиском і припиняє інфляцію. Однак, оскільки в різних місцях простору початкові збурення мали різну амплітуду й, отже, зростали до критичного значення протягом різного часу, інфляція в різних місцях простору також припиняється в різний час. Перехід від стадії розширення, коли масштабний фактор змінюється за експоненціальним законом (епоха інфляції), до фрідманівської стадії розширення, коли масштабний фактор змінюється за степеневим законом, відбувається неодночасно. Це спричиняє флуктуації метрики виду h~Hδt(r), де δt(r) – запізнення, що залежить від точки простору, а H – параметр Габбла в епоху інфляції.
Вакуумні квантові флуктуації, які зазвичай виявляються лише в мікроскопічних масштабах, у Всесвіті, що експоненціально розширюється, швидко збільшують свою довжину й амплітуду та стають космологічно значущими. Отже, скупчення галактик і самі галактики, що виникли згодом, є макроскопічними проявами квантових флуктуацій на ранніх етапах розвитку Всесвіту.
Спектр первинних збурень метрики можна побудувати, досліджуючи анізотропію реліктового випромінювання. Фотони, рухаючись у змінному гравітаційному полі, змінюють свою частоту і, відповідно, температуру. Тому температура реліктового випромінювання різна в різних напрямках на небі. Кутовий спектр температурних флуктуацій реліктового випромінювання однозначно пов’язаний зі спектром збурень гравітаційного поля. За спостереженнями анізотропії реліктового випромінювання можна відновити спектр первинних збурень. За спектром первинних збурень речовини та спектром гравітаційних хвиль можна відновити закони фізики на стадії інфляції, тобто в області енергій 1016 ГеВ. Нині, у результаті космічних експериментів РЕЛИКТ і COBE (COsmic Background Explorer) та наземних експериментів TENERIFE, SASKATOON і САТ, кутовий спектр анізотропії реліктового випромінювання виміряно в інтервалі кутів від 90° до 30′. На рис. 2 наведено теоретичні спектри кутових флуктуацій реліктового випромінювання, сформовані скалярними збуреннями (тобто флуктуаціями густини) та гравітаційними хвилями. Виміряні значення близькі до обчислених, що підтверджує правильність теоретичних побудов.
 |
Рис. 2. Розподіл за енергіями кутового спектра потужності Cl анізотропії реліктового випромінювання залежно від порядкового номера гармоніки l. Показано внесок збурень густини та гравітаційних хвиль в анізотропію випромінювання |
Дуже важливим наслідком цих експериментів є можливість зробити деякі висновки про фізичні взаємодії в енергетичному діапазоні 1016 ГеВ. Можна сказати, що теорія інфляційного Всесвіту дістала перше експериментальне підтвердження. Висновки із цих вимірювань – це також перші експериментальні дані щодо поведінки взаємодій в області енергій 1016 ГеВ. Тут доречно сказати кілька слів про загальнолюдське значення цих даних. Перші фізичні дослідні дані людства стосувалися масштабу енергій ~1 еВ на молекулу, тобто горіння гілок, дров і кам’яного вугілля. Опанування вогню дозволило нашим предкам стати homo sapiens. Спочатку експериментально-фізичне, а згодом і технологічне опанування масштабу енергій від ~100 кеВ до ~1 МеВ сповістило про початок ядерної й термоядерної доби. Це переміщення «всього» лише в мільйон разів за шкалою енергій! Що ж тоді обіцяють людству експериментальні знання при переміщенні в десятки мільярдів мільярдів разів, від 1 МеВ до 1016 ГеВ!
4. Стадія баріосинтезу
Рівняння стану речовини з від’ємним тиском нестійке: воно має змінитися звичайним (додатним або рівним нулю) тиском. Тому інфляційна фаза розвитку Всесвіту досить швидко закінчується. Із завершенням цього етапу народжується звичайна матерія.
З астрономічних спостережень випливає, що у Всесвіті практично немає антиречовини. Зорі, газ і пил нашої Галактики складаються з речовини, оскільки інакше анігіляцію речовини та антиречовини, що супроводжується виділенням великої кількості енергії, було б помічено. Відомі галактики, що стикаються, галактики, які входять до скупчень і омиваються хмарами міжгалактичного газу, але ніде не помічено процесів анігіляції.
Численні експерименти на прискорювачах елементарних частинок показують, що процеси народження речовини та антиречовини рівноправні. Однак, якби кількість протонів на початкових стадіях Всесвіту точно дорівнювала кількості антипротонів, то при охолодженні плазми до температури ~100 МеВ і нижче протони й антипротони анігілювали б, перетворившись на фотони, тобто у Всесвіті речовина повністю зникла б, а залишилося б лише випромінювання. Проте сам факт нашого існування наочно доводить, що речовина у Всесвіті все-таки є, хоча її вкрай мало порівняно з кількістю реліктових фотонів. Відношення кількості протонів np і реліктових фотонів nγ нині np/nγ ≈10-8-10-10. Це означає, що під час гарячої стадії, коли температура була дуже високою ( kT≫mpc2), у первинній плазмі існувала не точно, а лише приблизно однакова кількість протонів np і антипротонів np~:
Найвідомішими з баріонів є протони й нейтрони, вони ж є найстабільнішими частинками. Час розпаду протона перевищує 1032 років, а час розпаду нейтрона становить близько 20 хв. Існує ще кілька короткоживучих баріонів. Для всіх цих частинок експерименти показують збереження повної кількості баріонів у всіх процесах взаємодії. Наприклад, якщо розпадається нейтрон, то в результаті взаємодії з’являється інший баріон – протон: n→p+e++ν~; якщо в результаті реакції народжується додатковий протон, то цей процес обов’язково супроводжується народженням якогось антибаріона, наприклад антипротона p~ :
 |
Рис. 3. Схематичне зображення розпаду протона p. Суцільними тонкими лініями показано реальні частинки – кварки d, u, u~ (протон є складеною частинкою, до якої входять кварки та глюони), позитрон e+ і π0-мезон. Товста хвиляста лінія зображає віртуальний X-лептокварк |
За допомогою гіпотетичних лептокварків удається пояснити високу стабільність протонів, інакше кажучи, спостережуване в експериментах збереження баріонного заряду. Розпад протона в цих моделях відбувається за схемою, зображеною на рис. 3. Згідно з теорією елементарних частинок протон є системою з трьох кварків (u,u,d). Із моделей Великого об’єднання випливає, що існує взаємодія, яка перетворює два кварки u, d на надважку частинку X. Однак процес народження частинки X є віртуальним, тобто реальна частинка не народжується, оскільки маса X значно більша за масу протона й при народженні реальної частинки з масою mx порушився б закон збереження енергії. У результаті віртуальний X-лептокварк розпадається на лептон (ним може бути позитрон або мюон) і кварк u~, який у результаті взаємодії з третім кварком u, що входив до складу протона, утворює, наприклад, π0- або K-мезон. Необхідність припустити під час розпаду протона проміжне існування надмасивної частинки X приводить до того, що ймовірність цієї реакції за одиницю часу вкрай низька, Γ≈e4(mp/mX)4mp через велику масу X-лептокварка. Інакше кажучи, при розпаді протона в моделях Великого об’єднання баріонний заряд насправді може змінюватися, але, щоб зареєструвати хоча б одну подію розпаду окремого протона, довелося б чекати не менше ніж 1032 років. Зменшити час очікування, наприклад до одного року, також можна, але в цьому разі доведеться одночасно стежити вже не за одним протоном, а за 100 тоннами водню. Однак при зіткненні двох протонів імовірність їхнього розпаду зростає пропорційно квадрату енергії в системі центра мас протонів, і, коли енергія частинок перевищує ~1015 ГеВ, розпади протонів стають дуже інтенсивними. Такі енергії були характерними для плазми в ранньому Всесвіті у проміжку часу від ~10-42 до ~10-36 секунди після Великого вибуху.
Механізм баріосинтезу має багато спільного зі звичайними хімічними реакціями, тому його називають гарячим баріосинтезом, а епоху генерування надлишку речовини над антиречовиною – стадією баріосинтезу. Існує кілька альтернативних механізмів утворення баріонного надлишку. Один із таких механізмів, який працює за значно нижчих температур (коли енергія частинок падає до 10 ТеВ), має назву холодного баріогенезу.
Серед інших механізмів утворення баріонного заряду заслуговує на згадку механізм, пов’язаний із випаровуванням первинних чорних дір (докладніше див. статтю Д.А. Кіржніца "Горячие черные дыры" в цьому томі). Цей процес також веде до утворення надлишку речовини над антиречовиною.
5. Нуклеосинтез
Коли температура Всесвіту знижується до 1016-1017 К, у гарячій плазмі, що заповнює Всесвіт, відбувається електрослабкий фазовий перехід. До цього моменту електромагнітні та слабкі взаємодії за участю нейтрино є єдиною електрослабкою взаємодією. Після того як відбувається фазовий перехід, бозони W± і Z0 – переносники електрослабкої взаємодії – стають масивними (спрацьовує механізм динамічного народження маси), і слабка взаємодія стає дуже слабкою та короткодійною. У цю епоху слабкі й електромагнітні взаємодії, що до цього моменту були єдиними, розщеплюються на звичайні електромагнітні, основним квантом яких є фотон, і слабкі взаємодії за участю нейтрино, основними квантами яких є W±- і Z0-бозони.
Пізніше, приблизно за температури T≈1011 К, відбувається конфайнмент (невилітання) кварків. У вільному стані кварки можуть існувати лише в дуже гарячій плазмі з температурою T>1011 К. У ранньому Всесвіті, коли температура була значно вищою за цю величину, протонів і нейтронів не було, існував «кварковий суп». У результаті розширення Всесвіту температура падає, кварки починають сполучатися, утворюючи протони й нейтрони, і як самостійні частинки вже не трапляються в природі (не вилітають).
Після епохи утворення протонів і нейтронів найвизначнішою є епоха нуклеосинтезу. Вона починається через 1 секунду після Великого вибуху й триває аж до ~100 секунд. У цей період синтезуються легкі ядра (з атомною вагою A>5 [нерівність в оригіналі потребує уточнення]), важчі ядра синтезуються пізніше в зорях.
Первинна плазма в розглянуті епохи підпорядковується рівнянню стану за домінування випромінювання p=ρc2/3, що дозволяє використовувати просте наближене рівняння, яке пов’язує температуру первинної плазми T (МеВ) із віком Всесвіту t (у секундах): T∝ t -1/2.
Через 1 секунду після Великого вибуху температура первинної плазми впала до 1010 K, що відповідає енергії ~1 МеВ. Проміжок часу від t≈1 до t≈200 секунд відіграє істотну роль у житті Всесвіту. У цей період утворюються первинні легкі ядра: 4He (25 %), дейтерій 2H (3·10-5 %), 3He ( 2·10-5 %), 7Li (10-9 %), тобто починає народжуватися звична нам речовина.
Кінетичні рівняння, що описують народження легких елементів в епоху нуклеосинтезу, утворюють досить громіздкий ланцюжок, кожне з них відповідає одній термоядерній реакції. Народження різних ядер у процесі первинного нуклеосинтезу істотно залежить від відношення n/p кількості нейтронів до кількості протонів у розглянуту епоху. При t<1 с і відповідно T>1 МеВ відносна концентрація нейтронів і протонів описувалася рівноважною формулою n/p=exp[-Δm/T]), де Δm≈1,3 МеВ – різниця мас нейтрона й протона. Ця рівновага підтримувалася реакціями слабкої взаємодії. При падінні температури до T=0,7 МеВ ці реакції практично припинилися, і відношення n/p стало сталим та рівним відношенню цих величин наприкінці процесу. На цьому етапі розвитку Всесвіту нейтрони й протони існували у вільному вигляді, не зв’язуючись у ядра. Згодом, коли температура впала нижче за 100 кеВ, більша частина нейтронів (крім тих, що встигли розпастися) виявилася зв’язаною при утворенні дейтерію під час реакції p+n→2 2H+γ.Своєю чергою дейтерій, ефективно захоплюючи баріони первинної плазми, породжував 3He і тритій ( 3H). Із захопленням ще одного протона або нейтрона утворювався 4He, у якому практично всі нейтрони, що не розпалися, завершували свій шлях. Відсутність відповідних ядер із масовим числом A=5 гальмувала подальші реакції, роблячи утворення важчих елементів ( 3He+4He →7Be, 3 4He→12C тощо) малоймовірною подією.
Відносний (за масою) вихід 3He, 4He, 2H і 7Li залежно від густини баріонів Ωb показано на рис. 4. Зменшення виходу дейтерію зі зростанням Ωb пояснюється тим, що зі збільшенням густини баріонів зростає кількість зіткнень між ними і відповідно зростає ймовірність утворення важких ядер. Отже, кількість дейтерію у Всесвіті є чутливим індикатором густини баріонної складової. Іншим таким індикатором є кількість 7Li.
 |
Рис. 4. Розрахункові вагові концентрації легких елементів, що утворилися під час первинного нуклеосинтезу за H=50 (км/с)/Мпк). Жовта область – допустиме за спостереженнями значення густини баріонів Ωb. Суцільні криві – теоретично обчислені значення поширеності різних елементів залежно від Ωb. Видно, що кількість 4He практично не залежить від цього параметра. Найсуворіші обмеження на величину Ωb отримують за поширеністю дейтерію 2H і особливо літію 7Li, які дуже сильно залежать від Ωb |
Із порівняння розрахунків зі спостережуваною поширеністю елементів випливає, що густина баріонів Ωb=0,05±0,03. Передбачення кількості водню (H≈75 %), гелію (4He≈25 %), а також решти легких елементів, яке досить добре узгоджується зі спостереженнями, є основним результатом теорії нуклеосинтезу, а передбачення густини баріонів у Всесвіті – основним побічним продуктом цієї теорії. Стадія нуклеосинтезу є завершальною стадією, що належить до раннього Всесвіту. Вона закінчується через 3 хвилини після Великого вибуху. Епохи в житті нашого Всесвіту, що настають після епохи нуклеосинтезу, становлять інтерес уже з погляду космології сучасного Всесвіту.
6. Висновок
За епохою нуклеосинтезу настає стадія, що відіграє важливу роль у космології, – епоха домінування (переважання) прихованої маси, яка залежно від типу носія прихованої матерії настає приблизно за температури T≈105 К. Починаючи з цієї епохи зростають малі збурення густини речовини, які до нашого часу збільшуються настільки, що з’являються галактики, зорі та планети.
Потім настає епоха рекомбінації водню, у процесі якої протони й електрони об’єднуються й утворюється водень – найпоширеніший елемент у Всесвіті. Епоха рекомбінації збігається з епохою «просвітлення» Всесвіту: плазма зникає, і речовина стає прозорою. Температура цієї епохи дуже добре відома з лабораторної фізики T≈4500-3000 К. Після рекомбінації фотони доходять до спостерігача, практично не взаємодіючи з речовиною на шляху, і становлять реліктове випромінювання, енергетичний спектр якого нині відповідає спектру абсолютно чорного тіла, нагрітого до температури 2,75 К. Різниця температур ~3000 і ~3 К зумовлена тим, що з епохи просвітлення Всесвіту його розміри збільшилися приблизно в 1000 разів.
У проміжку між епохою рекомбінації та нашим часом розташована ще одна важлива епоха – утворення великомасштабної структури Всесвіту, або утворення надскупчень галактик. Умовно ця епоха припадає на червоне зміщення z≈10, коли температура реліктових фотонів падає до 30 К. У проміжку від z≈10 до z≈0 лежить епоха нелінійної стадії еволюції позагалактичних об’єктів, тобто епоха звичайних галактик, квазарів, скупчень і надскупчень галактик. Але все це вже за межами цієї статті.
Література
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (1):
Спасибо за статью, очень интересно и познавательно!