Научные теории, концепции, гипотезы, модели

Теория Большого взрыва

Тео́рия Большо́го взры́ва, теория горячей . Теория расширяющейся Вселенной была создана в 1922–1924 гг. в работах  и получила первое наблюдательное подтверждение в 1929 г., когда обнаружил в соответствии с . Поскольку Вселенная расширяется и её плотность уменьшается, в прошлом расстояния между были меньше и плотность Вселенной была выше. Это означало, что Вселенная должна была начать своё расширение из состояния с очень высокой плотностью. Теория горячей Вселенной была разработана  в 1946–1948 гг., и на её основе было предсказано существование . Теория Большого взрыва стала общепринятой после открытия реликтового излучения и в 1964–1965 гг. Термин «Большой взрыв» впервые использовал во время выступления по радио в 1949 г. Согласно его формулировке, вся материя во Вселенной была создана в процессе единого большого взрыва в определённое время в отдалённом прошлом. С тех пор термин «Большой взрыв» стал нарицательным для наименования современной теории.

Согласно гипотезе, берущей своё начало с работ А. А. Фридмана, и , расширение Вселенной началось около 13,8 млрд лет назад из состояния . Краткое схематическое изображение основных этапов эволюции Вселенной в рамках теории Большого взрыва.Рис. 1. Краткое схематическое изображение основных этапов эволюции Вселенной в рамках теории Большого взрыва.По современным представлениям, физической причиной расширения являлось особое (инфлатон) с отрицательным давлением, которое порождало и тем самым заставляло раннюю Вселенную расширяться с очень большим ускорением. Эта стадия, называемая , длилась ничтожно малую долю секунды и закончилась примерно через 10–35 с после рождения Вселенной. При этом произошло рождение материи (горячей и излучения) за счёт инфлатона. Далее Вселенная расширялась по инерции с замедлением из-за обычного материи.

В ходе расширения плотность и температура Вселенной падали, вследствие чего состояние материи претерпело ряд качественных изменений: электрослабый переход (разделение на и ), , рождение и , образование лёгких (), образование нейтральных (), образование первых , галактик и из и т. д. Спустя примерно 7 млрд лет Вселенная снова перешла от расширения с замедлением к , которое продолжается и в настоящее время. Краткое схематическое изображение истории физических процессов во Вселенной от до настоящего момента времени приведено на рис. 1.

Возраст и размер наблюдаемой части Вселенной

Поскольку в рамках теории Большого взрыва родилась в определённое время в отдалённом прошлом, то она имеет определённый возраст. t0t_0 (в случае Ωm+Ωr+ΩΛ=1Ω_m+Ω_r+Ω_Λ=1) можно вычислить по формуле

H0t0=23ΩΛln1+ΩΛ1ΩΛ     (ΩrΩm),\displaystyle H_0t_0=\frac{2}{3\sqrt{\Omega_\Lambda}}\ln{\frac{1+\sqrt{\Omega_\Lambda}}{1-\sqrt{\Omega_\Lambda}}}\ \ \ \ \ \left(\Omega_r\ll\Omega_m\right),где H0H_0 – современное значение ; Ωm\Omega_m и Ωr\Omega_r – соответственно нерелятивистского вещества и материи, заполняющих Вселенную; ΩΛ\Omega_\Lambda – параметр плотности, соответствующий . Вычисленный по этой формуле возраст Вселенной с учётом значения параметра ΩΛΩ_Λ, измеренного по наблюдательным данным, составляет

t013, ⁣8 млрд лет.t_0\approx13,\!8\ млрд\ лет.Поскольку Вселенная существует конечное время (t0),(t_0), то за это время свет прошёл конечное расстояние. Поэтому свет от далёких источников, который мы наблюдаем сейчас, пришёл к нам с расстояний, не превышающих некоторое максимальное значение lp.l_p. Это расстояние называется Вселенной, оно определяет объём Вселенной, доступный наблюдениям. События, которые происходили вне этого объёма, недоступны наблюдению, поскольку любая информация переносится со скоростью, не превышающей . Горизонт частиц lpl_p вычисляется по формуле

lp=cH00dzΩm(1+z)3+Ωr(1+z)4+ΩΛ,\displaystyle l_p=\frac{c}{H_0}\int\limits_{0}^{\infty}\frac{dz}{\sqrt{\Omega_m\left(1+z\right)^3+\Omega_r\left(1+z\right)^4+\Omega_\Lambda}},где zz – космологическое , cc – скорость света в вакууме. Значение космологического горизонта составляет lp14 Гпк.l_p\approx14\ Гпк.

Если бы Вселенная была статичной, то горизонт частиц был бы равен произведению возраста Вселенной на скорость света ct0.ct_0. Поскольку Вселенная , горизонт частиц примерно в 3 раза больше этой величины. Связано это с тем, что, пока свет движется от источника к наблюдателю, пространство расширяется и источник удаляется от наблюдателя. Поэтому, когда свет достигнет наблюдателя, расстояние от наблюдателя до источника будет больше, чем произведение скорости света на время, в течение которого свет шёл от источника к наблюдателю.

Начало расширения Вселенной и его причина

Согласно теории Большого взрыва, началось около 13,8 млрд лет назад с ~10–43 с из состояния . По современным представлениям, физической причиной, вызвавшей расширение, является , называемое инфлатоном, которое доминировало в очень ранней Вселенной и имело большое отрицательное давление, равное по модулю плотности энергии этого поля. Согласно уравнениям , такое состояние характеризуется наличием и поэтому приводит к возникновению . Эта стадия предположительно имела место при возрасте Вселенной от 10–43 с до 10–35 с. Термин «инфляция» означает, что скорость роста a(t)a(t) пропорциональна его величине (коэффициентом пропорциональности является H,H, который во время инфляции не меняется со временем):

da(t)dt=Ha(t).\displaystyle \frac{da(t)}{dt}=H\cdot a(t).Во время инфляции , содержащаяся в скалярном поле инфлатона, выделялась в виде ускоренно расширяющейся Вселенной.

Поскольку состояние материи с отрицательным давлением неустойчиво, примерно через 10–35 с после начала расширения инфляция закончилась, а вся оставшаяся потенциальная энергия инфлатона выделилась в виде и их кинетической энергии – так образовалась горячая . Далее Вселенная расширялась по инерции в соответствии с уравнениями , при этом расширение замедлялось из-за гравитационного притяжения материи. Фридмановский режим расширения начинается с момента времени, когда температура горячей плазмы была не выше ~1029 К.

В последнее время активную дискуссию вызывает теория , построенная в работах . Согласно этой теории, инфляция происходит вечно и при этом от расширяющегося пространственно-временнóго континуума, заполненного полем инфлатона, время от времени «отщепляются» домены, в которых инфляция быстро заканчивается. Эти домены могут быть причинно связаны внутри себя, но при этом не связаны между собой, и поэтому они являются, по сути, независимыми вселенными. Таким образом возникает . В рамках этой теории, наша является одним из таких доменов или его частью.

Рождение барионов. Электрослабый переход

Для описания состояния материи при столь высоких температурах, которые имели место сразу после окончания инфляционной стадии, существует несколько теорий, но ни одна из них не подтверждена экспериментально, и ни одна не является общепринятой. Можно утверждать, что в эту эпоху во Вселенной преобладала релятивистская . Температура этой плазмы была значительно выше, чем энергия покоя большинства типов частиц, составляющих эту плазму. Плотность вещества ρρ подчинялась соотношению

ρ=π230NfT4,\displaystyle \rho=\frac{\pi^2}{30}N_fT^4,где NfN_f всех типов частиц, TT – температура плазмы. Здесь плотность и температура выражены в (ГэВ). Перевод из энергетических единиц в таков: 1 ГэВ = 1,2 ∙ 1013 К, 1 ГэВ4 = 2,1 ∙ 1038 эрг/см3. Число степеней свободы определяется формулой

Nf=BNB+78FNF,N_f=\sum_{B}N_B+\frac{7}{8}\sum_{F}N_F,где NBN_B – число степеней свободы, NFN_F – число степеней свободы. В можно определить NfN_f до температур порядка нескольких сотен ГэВ. С учётом 72 степеней свободы для , 12 для электрически заряженных , 6 для , 9 для , 2 для , 1 для и 16 для получается Nf=106, ⁣75.N_f=106,\!75. Величина NfN_f для более высоких температур зависит от выбранной модели физики элементарных частиц. Модели для более высоких температур не являются общепризнанными и проверенными в эксперименте. Число степеней свободы не является надёжно установленной величиной.

При снижении температуры плазмы ниже массы покоя стабильных частиц эти частицы перестают вести себя как излучение и становятся частью нерелятивистского компонента плотности Вселенной.

В , до начала эпохи , произошло рождение избытка вещества над (рождение барионного избытка или ). Для образования такого избытка на определённом этапе развития Вселенной должны выполняться специальные условия, сформулированные (1967) и (1970): должны идти процессы с нарушением сохранения , в этих процессах должны быть нарушены C- и CP-симметрии (C-симметрия – это , P-симметрия – это симметрия относительно отражения пространственных осей), эти процессы не должны быть равновесными (в отличие от рассеяния частиц, находящихся в с плазмой). Существуют разные физические механизмы образования барионного избытка, однако все они требуют выхода за рамки известной физики микромира, описываемой Стандартной моделью физики элементарных частиц.

Теоретически рассчитанное значение температуры плазмы в момент образования барионов зависит от модели и может лежать в интервале 1025–1010 К. Если во Вселенной действительно были столь высокие температуры, то в ней происходил и электрослабый переход (разделение единого на и ). В эту эпоху появляется масса у за счёт , разделяются электромагнитное взаимодействие (γ-квант), которое является дальнодействующим, и слабое взаимодействие (W±-, Z0-бозоны), которое становится короткодействующим. Этот переход происходит при температуре порядка 1015 К. При температуре порядка 1012 К происходит , рождаются и .

В горячей плазме частицы находятся в термодинамическом равновесии. Это равновесие поддерживается за счёт рассеяния частиц друг на друге. Для некоторых частиц сечение рассеяния зависит от их энергии и с понижением температуры уменьшается настолько, что они перестают взаимодействовать друг с другом и выходят из равновесия. Их концентрация в сопутствующем объёме и форма спектра «замораживаются».

Первичный нуклеосинтез

В момент времени t1 сt\approx1\ с после начала , когда её температура падает примерно до 1010 К (что соответствует 1 МэВ), начинается эпоха , которая длится примерно от t1 сt\approx1\ с до t200 с.t\approx200\ с. Эта стадия является надёжным инструментом для изучения ранней . Свойства различных и взаимодействия описываются . Теоретические выводы этой модели находятся в хорошем согласии с наблюдаемым изобилием некоторых лёгких . Наблюдаемые распространённости D (дейтерия, водорода) и 4He (изотопа гелия) совпадают с теоретическими предсказаниями Стандартной модели физики элементарных частиц, применённой к ранней Вселенной. Это накладывает ограничения на различные гипотезы о возможных отклонениях от стандартных моделей физики частиц и космологии. Имеющиеся данные об изотопе 3He получены по исследованиям и некоторых облаков водорода в нашей , поэтому сделать выводы о космологическом изобилии этого изотопа весьма затруднительно. Данные по измеренной распространённости 7Li (лития) не согласуются с теоретическими предсказаниями. Эта проблема существует десятилетиями и не имеет убедительного решения.

До начала нуклеосинтеза при высоких температурах TT слабое взаимодействие обусловливало процессы превращения в и обратно вследствие их взаимодействия с , , и . Эти процессы находились в , вследствие чего отношение концентраций нейтронов nnn_n и протонов npn_p было зафиксировано на уровне

nnnp=e1,293 МэВT,\frac{n_n}{n_p}=e^{\frac{-1,293\ МэВ}{T}},где численная константа в числителе есть разность масс нейтрона и протона.

При температуре около 2–5 МэВ нейтрино вышли из равновесия, однако продолжали вносить заметный вклад в полную плотность энергии Вселенной. Поэтому к началу нуклеосинтеза в равновесном компоненте материи остались только , электроны и позитроны.

Темп взаимных превращений протонов и нейтронов определяется константой Ферми GFG_F и температурой плазмы TT:

ΓnpGF2T5.\Gamma_{n\leftrightarrow p}\sim G_F^2T^5.Этот темп падает быстрее, чем происходит расширение Вселенной

HNfG T2,H\sim\sqrt{N_fG}{\ T}^2,где HH – , GG – . При температуре T(NfG/GF2)1/61 МэВ,T\sim\left(N_fG/G_F^2\right)^{1/6}\approx1\ МэВ, что соответствует возрасту Вселенной 1 с, эти процессы завершаются и отношение концентраций нейтронов и протонов «замораживается» на уровне nn/np1/6.n_n/n_p\approx1/6. Этот момент считается началом нуклеосинтеза. Данное отношение очень сильно зависит от разности масс нейтрона и протона (которые обусловлены и взаимодействиями), от констант и взаимодействий, которые определяют температуру «замораживания», а также от наличия в плазме гипотетических релятивистских частиц.

Затем электроны и позитроны с образованием фотонов и тем самым несколько подогревают плазму. После этого начинаются , так что Вселенная представляет собой один гигантский термоядерный реактор. Скорость реакций определяется плотностью . Цепочка реакций начинается с образования дейтерия D\rm D и жёсткого γγ-кванта в реакции между протоном pp и нейтроном nn:

p+nD+γ.p+n\rightarrow {\rm D}+\gamma.Далее следуют реакции с образованием трития T{\rm T} (изотопа водорода) и изотопа гелия 3He\rm {^3He}:

D+nT+γ,{\rm D}+n\rightarrow{\rm T}+\gamma,D+p3He+γ,{\rm D}+p\rightarrow{\rm ^3He}+\gamma,D+DT+p+γ,{\rm D}+{\rm D}\rightarrow{\rm T}+p+\gamma,D+D3He+n+γ.{\rm D}+{\rm D}\rightarrow{\rm ^3He}+n+\gamma.Реакции заканчиваются образованием наиболее стабильного изотопа гелия 4He\rm {^4He}:

T+p4He+γ,{\rm T}+p\rightarrow{\rm ^4He}+\gamma,3He+n4He+γ.{\rm ^3He}+n\rightarrow{\rm ^4He}+\gamma.Кроме гелия, образуется небольшое количество изотопа 7Li{\rm ^7Li}. Более тяжёлые химические элементы не образуются из-за отсутствия стабильных ядер с A=5A=5 и A=8A=8. Остальные элементы образуются в ходе последующих (звёздный ).

Основной химический элемент, который образуется в первичном нуклеосинтезе, – это 4He{\rm ^4He}. Его массовую долю YY легко оценить из простого соотношения

Y=nn/np1+nn/np0, ⁣25,\displaystyle Y=\frac{n_n/n_p}{1+n_n/n_p}\approx0,\!25,где под величиной nn/npn_n/n_p  уже подразумевается отношение концентраций нейтронов и протонов на момент окончания нуклеосинтеза, так что некоторая часть нейтронов к этому моменту успела распасться. Таким образом, во Вселенной остаётся самый распространённый элемент водород – около 75% по массе. На втором месте следует гелий-4 (4He)({\rm ^4He}) – около 25% по массе. Остальные лёгкие элементы составляют малую долю: D2, ⁣6105,{\rm D}\approx2,\!6\cdot10^{-5}, 3He105,{\rm ^3He}\approx10^{-5}, 6Li1, ⁣31013,{\rm ^6Li}\approx1,\!3\cdot10^{-13}, 7Li4, ⁣61010.{\rm ^7Li}\approx4,\!6\cdot10^{-10}.

Первичное обилие лёгких химических элементов в зависимости от величины барионной плотности ВселеннойРис. 2. Первичное обилие лёгких химических элементов в зависимости от величины барионной плотности Вселенной. Ширины кривых обозначают уровень достоверности 1σ. Иллюстрация из статьи: Cyburt R. H., Fields B. D., Olive K. A., Yeh T. Big bang nucleosynthesis: Present status // Reviews of Modern Physics. 88, 015004, 23 February 2016. Fig. 1. American Physical Society.Получающееся обилие этих элементов зависит от количества барионов во Вселенной в эпоху первичного нуклеосинтеза. Эта зависимость показана на рис. 2, где по вертикальной оси отложено обилие элементов в отношении к обилию водорода, по нижней горизонтальной оси – отношение числа барионов к числу . Поскольку число реликтовых фотонов измеряется прямым методом с высокой точностью, то эта величина даёт плотность барионов (верхняя горизонтальная шкала). Графики построены в предположении, что количество типов нейтрино N ⁣= ⁣3N\!=\!3 и время жизни нейтрона составляет n=880, ⁣3±1, ⁣1 с.n=880,\!3±1,\!1\ с. Ширины кривых обозначают уровень достоверности 1σ.1σ. Согласно наиболее надёжно измеренному относительному обилию дейтерия (D/H)({\rm D}/{\rm H}) и обилию гелия-4 (Y),(Y), параметр плотности барионов Ωb\Omega_b лежит в интервале (уровень достоверности 95%)

0, ⁣021Ωbh20, ⁣024,\displaystyle 0,\!021\le\Omega_bh^2\le0,\!024,

где hh – современное значение параметра Хаббла, выраженное в единицах 100 км/(с ∙ Мпк). Величина плотности барионов играет ключевую роль в понимании состава Вселенной. Прежде всего важен тот факт, что барионного вещества Вселенной значительно меньше единицы, Ωb1,\Omega_b\ll1, т. е. плотность барионов значительно меньше . Общая плотность барионов, в свою очередь, значительно больше плотности светящейся материи во Вселенной ( и газ в ), которая составляет Ωlum0, ⁣0024 h1.Ω_{\rm lum}\approx0,\!0024\ h^{-1}. Это означает, что большинство барионов не видно в оптическом диапазоне спектра и находится, вероятно, в форме диффузной . Наконец, учитывая, что параметр плотности для всего нерелятивистского вещества Вселенной Ωm0, ⁣3,\Omega_m\approx0,\!3, можно сделать вывод, что большинство материи во Вселенной находится в небарионной форме.

Эпоха рекомбинации и начало образования крупномасштабной структуры Вселенной

Следующая важная эпоха эволюции началась, когда температура плазмы упала до T=9251 КT=9251\ К ( соответствующей эпохи z=3395z=3395). Это момент равенства плотности энергии вещества (включая и ) и плотности энергии излучения. С этого момента времени началась эпоха доминирования вещества. Кроме того, вследствие начался активный рост тёмной материи, зародившихся во время . К этому моменту в равновесном состоянии в остались только , и . Равновесие между ними поддерживалось благодаря . Рост возмущений плотности барионного вещества ещё не мог начаться, поскольку ему препятствовало радиационное торможение ().

Примерно через 380 тыс. лет после начала расширения Вселенной произошла рекомбинация, т. е. объединение положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов в электрически нейтральные водорода. Поскольку свободные электроны исчезли, связавшись в атомы водорода, сечение рассеяния резко уменьшилось и равновесие частиц нарушилось. С этого момента фотоны начали распространяться почти свободно. В дальнейшем они сохраняли спектр , адиабатически понижая свою температуру при расширении Вселенной. Эти фотоны носят название реликтовых фотонов. Их источник – сфера, окружающая нас, которая называется . Плазма превратилась в горячий газ из атомов водорода (75% по массе) и гелия (25%). После рекомбинации барионы стали свободными от радиационного торможения и начали расти возмущения плотности барионного вещества.

Первые и образовались спустя примерно 500 млн лет после начала . Примерно через 1 млрд лет после начала расширения излучение первых , образовавшихся в галактиках, вновь ионизовало водород (т. н. вторичная ионизация). вторичной ионизации меньше единицы, Вселенная практически прозрачна. Примерно в это время образовалась .

Спустя примерно 7 млрд лет расширение Вселенной по инерции сменилось на , которое продолжается и в настоящее время.

Галактики эволюционировали, примерно через 9 млрд лет после начала расширения образовалась , затем на планете Земля возникла жизнь.

  • Космологические события
  • Ядерные процессы в космосе
  • Астрофизические процессы и явления
  • Космологические модели и теории
  • Ранняя Вселенная