Этапы эволюции Вселенной

Период

Возраст Вселенной

Темпера-

тура, К

Характеристика периода

Планковская эпоха

(квантовая гравитация)

0-10-43  с

1032

Сначала существовал только физический вакуум. В отличие от пустого пространства как мы его себе представляем, в физическом вакууме присутствуют квантовые флуктуации поля. В этом период все взаимодействия не различимы. ……

Вначале  время было неотделимо от пространства. Нарушение симметрии создало необратимость событий, приводя к разделению прошлого, настоящего и будущего. Поэтому выражение «до Большого взрыва» не имеет смысла. В 1967г. А.Д. Сахаров предположил взаимосвязь между возникновением потока времени и асимметрией в природе вещества и антивещества.

Теоретическая модель планковской эпохи в настоящее время  не завершена.

Эпоха Великого объединения

10-43 - 10-36с

1032 – 1028

Нарушается симметрия 4-х взаимодействий: гравитационное взаимодействие становится независимым от остальных. Сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия при этих температурах рассматриваются теорией Великого объединения как единое (сильное и электрослабое) взаимодействие.

В полях высоких энергий во Вселенной постоянно рождаются и аннигилируют с излучением пары кварк-антикварк, лептон-анти лептон. При таких огромных температурах различие между кварками и лептонами практически отсутствует. Среди фундаментальных частиц присутствуют также переносчики взаимодействий (глюоны, бозоны, фотоны и гравитоны).

Инфляцион-ная фаза

10-36- 10-34с

1028 – 1027

К моменту времени t =10-36с от начала Большого взрыва радиус Вселенной становится равным t = c∙t = 3∙108∙10-36= 3∙10-28м, температура в результате расширения снижается. За период (10-36 - 10-34)с она снижается с1028 – 1027 К. В результате спонтанного нарушения симметрии пространства-времени в этом диапазоне температур сильное взаимодействие отделяется от электрослабого (электромагнитного и слабого). Энергия, выделяющаяся при этом, приводит к резкому экспоненциальному росту Вселенной.

Каждые 10-36 с размер Вселенной возрастал в e = 2,718 раза. Учитывая, что в 10-34с содержится 100 таких интервалов, в период инфляции размер должен возрасти в e100  раз, или в 10lge∙100 =100,43∙100 = 1043раз. Таким образом, за  10-34 с размер Вселенной вырос до  3∙1017м, превысив диаметр Солнечной системы.

Расширение Вселенной происходило со скоростью, большей скорости света, но это не означает нарушение СТО. С такой скоростью расширяется пространство, а не движутся материальные объекты. Благодаря инфляции истинный размер Вселенной оказывается в миллион раз больше, чем ее видимый диаметр порядка 15 млрд.св.лет. Гигантское инфляционное расширение уменьшает начальную кривизну пространства-времени, приближая окончательный вариант пространства к евклидовому. Это частично подтверждает предположение о том, что плотность Вселенной близка к критической.

Электросла-бая эпоха

10-34- 10-10с

1027 – 1015

В момент времени t =10-34с инфляция заканчивается, но расширение и охлаждение Вселенной продолжается. Разделение электромагнитного и слабого взаимодействий начинается при температуре Тс≈3∙1015К ≈ 200ГэВ и заканчивается к моменту времени 10-10с. При температурах, больших критической, слабое и электромагнитное взаимодействия подобны друг другу. Например, оба подчиняются закону Кулона. 

Эра кварков

10-10- 10-6с

1015 – 1013

Смесь кварков-антикварков, лептонов и антилептонов, частиц-переносчиков взаимодействий заполняет Вселенную в течение последних двух эпох: инфляционной и электрослабой (от 10-36 до 10-10с ). Такой же состав Вселенной остается и в данную эпоху. При этом все 4 фундаментальные взаимодействия разделились.

Особенность взаимодействия кварков состоит в том, что сила их притяжения растет с расстоянием (как сила упругости в растянутой пружине).  Поэтому попытки их разделить при высоких энергиях не приводили к желаемому результату. Подобно тому, как, пытаясь неограниченно растянуть пружину, мы разрываем ее на две пружины, при высоких энергиях рождается пара кварк-антикварк. 

Адронная эра

10-6- 10-4с

1013 – 1012

Каждый свободный кварк при этом диапазоне температур либо объединяется с антикварком (в мезон или антимезон), либо находит себе место в барионе (или антибарионе). Из-за того, что Вселенная, расширяясь, продолжает охлаждаться, адроны (барионы и мезоны) не могут распасться на кварки. В этот период в состав Вселенной входят сотни разновидностей адронов (отсюда название фазы развития Вселенной), их античастиц, лептоны и антилептоны, а также переносчики всех видов взаимодействий. Частицы и античастицы постоянно аннигилируют, а выделяющаяся при этом энергия способствует рождению частиц. В состоянии равновесия процессы аннигиляции и образования частиц уравновешивают друг друга.

(Вселенная достаточно охладилась, для того, чтобы из групп 3-х кварков стало возможно образование протонов и нейтронов).

Лептонная

эра

10-4  - 1 с

1012 – 1010

Реакция рождения пары частица-античастица происходит тогда, когда энергия кванта электромагнитного излучения оказывается больше, чем энергия покоя рожденных частиц:

hv ≥ mc2. Для Вселенной, имеющей температуру Т, энергия кванта теплового излучения примерно равна kT. Это означает, что рождение пары  происходит лишь при условии

kT ≥ mc2 = kTa (*),      где Ta – пороговая температура рождения пары частица-античастица.

Из-за охлаждения Вселенной при расширении рождение пары уже невозможно, если T < Ta, . В тоже время в результате реакции аннигиляции соответствующая пара частица – античастица исчезает. Как видно из формулы (*), чем больше энергия покоя частицы, тем при большей температуре они  Ta они аннигилируют. Тяжелые таоны τ- аннигилировали со своими античастицами τ+ еще в эру кварков при   Ta≈ 2∙1013К. Сопутствующие им нейтрино сохранились до настоящего времени. При температуре 1,1∙1013К исчезают основные составляющие современного вещества во Вселенной: протоны, нейтроны (и их античастицы). Если бы число частиц в точности равнялось числу античастиц, материя во Вселенной существовала бы лишь в виде излучения.

Наличие в современном мире вещества, включающего в свой состав протоны и нейтроны, можно объяснить лишь незначительным преобладанием вещества (протонов, нейтронов, электронов) над антивеществом (антипротонами, антинейтронами, позитронами) в самой ранней фазе Большого взрыва.

Перевес вещества над антивеществом в ранней Вселенной составлял примерно 10-7 % и был вызван, по-видимому, нарушением симметрии при взаимодействиях элементарных частиц между собой.

Вблизи момента времени 100 мкс (10-4с) при Ta = 1,2∙1012К  аннигилировали мюоны  μ- μ+, оставив во Вселенной соответствующие нейтрино.

Таким образом, из лептонов к концу лептонной эры помимо нейтрино сохранились лишь электроны е- и позитроны е+, имеющие энергию покоя, которая соответствует температуре Ta = 0,6∙1010К.  

(Условия стали такими, что в охлаждающей плазме элементарных частиц уже могли формироваться ядра некоторых легких элементов периодической таблицы).

Эра нуклео-

Синтеза

Фотонная эра

1 – 200  с

200с – 350 000 лет

1010 – 109

109 – 3∙103

(В течение следующих 3-х минут, пока кипящая Вселенная охлаждалась примерно до109 К, основная доля образовавшихся ядер приходилась на ядра водорода и гелия и включала небольшую добавку дейтерия («тяжелого» водорода) и лития).

После 1 с с момента Большого взрыва температура Вселенной оказывается меньше чем  1010 К (1 МэВ), пороговой для рождения электрон-позитронных пар. Начинается аннигиляция электронов и позитронов с испусканием фотонов. Таким образом, в составе Вселенной не осталось антивещества. Вещество представлено протонами, нейтронами, электронами, а излучение – фотонами и нейтрино. В этом период эволюции Вселенной энергия излучения значительно превышает вещества.

Число протонов и нейтронов за счет быстрого превращения протонов в нейтроны и обратно сначала было примерно одинаково. Однако, через 3 минуты от начала Большого взрыва температура  оказывается менее 1 млрд. К (109К). При такой температуре реакция p + e- --- n + vе  оказывается не возможной, поэтому число нейтронов не увеличивается, а за счет реакции распада n --- p + e- + vе  даже уменьшается.

На исходе 225 с с момента Б. взрыва отношение числа нейтронов к числу протонов оказывается 1:7.

Одновременное уменьшение числа протонов и нейтронов  происходит также при их объединении в дейтрон- ядро дейтерия, сопровождающемся испусканием γ-кванта с энергией 2,22МэВ. С этой реакции начинается процесс синтеза ядер  - нуклеосинтез. Второй этап – процесс взаимодействия двух дейтронов с образованием трития и водорода с выделением энергии 4,03 МэВ. Образование ядер гелия происходит на третьем этапе – при взаимодействии ядер дейтерия и трития.

Через 15 минут с момента Большого взрыва вещество во Вселенной (помимо электронов) состоит на 75% по массе из ядер атомов водорода и на 25% из ядер атомов гелия.

Последующие расширение вещества Вселенной, существующего в виде водородно-гелиевой плазмы, приводит к непрерывному уменьшению ее температуры. Через 350 000 лет она оказывается порядка 3000К. 

Атомная эра

350 000 лет - 100 млн. лет

3∙103  –  200

Доминирование процесса рекомбинации заряженных частиц (Н+ + e-  --  Н + γ) над процессами ионизации (Н + γ -- Н+ + e-) приводит к изменению  состояния вещества во Вселенной от плазменного к газовому (атомарному). В этот момент размеры Вселенной составлял 0, 001 ее размера в настоящее время.

При Т>3000 К фотоны взаимодействуют с веществом, отклоняясь и поглощаясь заряженными частицами. Длина свободного пробега фотона из-за этого мала, и вещество во Вселенной не является прозрачным для излучения (подобно туманной атмосфере).

При Т < 3000К свободные электроны исчезают в результате рекомбинации с ионами водорода Н+, а энергия фотона оказывается недостаточной для возбуждения атомов. Поэтому излучение престает взаимодействовать с веществом, свободно (изотропно) распространяясь во всех направлениях. Вселенная становится прозрачной для излучения.

Модель Большого взрыва, предложенная в 1948 г. Гаммовым, предсказывала, что тепловое излучение сохранилось с тех времен до настоящего времени. Поэтому часто такое излучение называют реликтовым. Вследствие расширения Вселенной температура реликтового излучения должна была уменьшится примерно в 1000 раз, т.е. быть порядка 3 К. Длина волны, соответствующая максимуму спектральной плотности излучения при такой температуре, равна 1 мм. Поэтому вторым экспериментальным подтверждением модели Большого взрыва (вслед за законом Хаббла) стало открытие в 1964г. Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном изотропного реликтового СВЧ-излучения, приходящего извне в нашу Галактику. Измеренная интенсивность излучения действительно соответствовала излучению абсолютно черного тела, имеющего температуру 2,7 К.

Изотропность и однородность реликтового излучения дополнительно подтверждают предположения об однородности и изотропности Вселенной на больших расстояниях.  

Образование астрономических структур

Звезд

100 млн лет – 500 млн лет

200 - 3

При абсолютном изотропном и однородном распределении вещества во Вселенной образование астрономических структур было бы невозможно. Структуры могут возникнуть лишь в результате уплотнения вещества или развития начальных флуктуаций его плотности. Космический аппарат СОВЕ (Cosmic Bacrground Explоrer – исследователь космического фона), запущенный в 1989г., измерил спектральную измерил спектральную излучательную способность реликтового излучения с точностью, на два порядка превышающей предыдущие измерения. Его анализ показал, что в различных направлениях от наблюдателя температура реликтового излучения разная.

Области с большой температурой (большей энергией фотонов) соответствуют повышенной плотности вещества во Вселенной. Меньшие температуры определяют менее плотное космическое пространство. Даже незначительный начальный уровень относительных флуктуаций (неоднородностей) плотности вещества ≈ 10-5 оказывается достаточным для образования астрономических структур.  

Галактик

500 млн лет – 5 млрд лет

Солнечной системы

10 – 11 млрд лет