Тео́рия Большо́го взры́ва, теория расширяющейся горячей Вселенной.

Теория расширяющейся Вселенной была создана в 1922–1924 гг. в работах А. А. Фридмана и получила первое наблюдательное подтверждение в 1929 г., когда Э. Хаббл обнаружил разбегание галактик в соответствии с законом Хаббла. Поскольку Вселенная расширяется и её плотность уменьшается, в прошлом расстояния между галактиками 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 Г. А. Гамовым в 1946–1948 гг., и на её основе было предсказано существование реликтового излучения. Теория Большого взрыва стала общепринятой после открытия реликтового излучения А. Пензиасом и Р. В. Вильсоном в 1964–1965 гг. Термин «Большой взрыв» впервые использовал Ф. Хойл 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 космологической теории.

Рис. 1. 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.Согласно гипотезе, берущей своё начало с работ А. А. Фридмана, А. Эйнштейна и Ж. Леметра, расширение Вселенной началось около 13,8 млрд лет назад из состояния космологической сингулярности. По современным представлениям, физической причиной расширения являлось особое скалярное поле (инфлатон) с отрицательным давлением, которое порождало гравитационное отталкивание и тем самым заставляло раннюю Вселенную расширяться с очень большим ускорением. Эта стадия, называемая космологической инфляцией, длилась ничтожно малую долю секунды и закончилась примерно через 10⁻³⁵ с после рождения Вселенной. При этом произошло рождение материи (горячей плазмы и излучения) за счёт потенциальной энергии инфлатона. Далее Вселенная расширялась по инерции с замедлением из-за обычного гравитационного притяжения материи.

В ходе расширения плотность и температура Вселенной падали, вследствие чего состояние материи претерпело ряд качественных изменений: электрослабый переход (разделение электрослабого взаимодействия на электромагнитное и слабое), конфайнмент кварков, рождение протонов и нейтронов, образование атомных ядер лёгких химических элементов (первичный нуклеосинтез), образование нейтральных атомов (эпоха рекомбинации), образование первых звёзд, галактик и крупномасштабной структуры Вселенной из первичных возмущений и т. д. Спустя примерно 7,6 млрд лет после своего рождения Вселенная снова перешла от расширения с замедлением к расширению с ускорением, которое продолжается и в настоящее время. Краткое схематическое изображение истории физических процессов во Вселенной от Большого взрыва до настоящего момента времени приведено на рис. 1.

Возраст и размер наблюдаемой части Вселенной

Поскольку в рамках теории Большого взрыва Вселенная родилась в определённое время в отдалённом прошлом, то она имеет определённый возраст. Возраст Вселенной $t_0$ (в случае $Ω_m+Ω_r+Ω_Λ=1$) можно вычислить по формуле

$\displaystyle H_0t_0=\frac{2}{3\sqrt{\Omega_\Lambda}}\ln{\frac{1+\sqrt{\Omega_\Lambda}}{1-\sqrt{\Omega_\Lambda}}}\ \ \ \ \ \left(\Omega_r\ll\Omega_m\right),$где $H_0$ – современное значение параметра Хаббла; $\Omega_m$ и $\Omega_r$ – параметры плотности соответственно нерелятивистского вещества и релятивистской материи, заполняющих Вселенную; $\Omega_\Lambda$ – параметр плотности, соответствующий космологической постоянной. Вычисленный по этой формуле возраст Вселенной с учётом значения параметра $Ω_\Lambda,$ измеренного по наблюдательным данным, составляет

$t_0\approx13,\!8\ млрд\ лет.$Поскольку Вселенная существует конечное время $(t_0),$ 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 $l_p.$ Это расстояние называется горизонтом частиц Вселенной, оно определяет объём Вселенной, доступный наблюдениям. События, которые происходили вне этого объёма, недоступны наблюдению, поскольку любая информация переносится со скоростью, не превышающей скорость света. Горизонт частиц $l_p$ вычисляется по формуле

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

Если бы Вселенная была статичной, то горизонт частиц был бы равен произведению возраста Вселенной на скорость света $ct_0.$ Поскольку Вселенная расширяется, 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, расширение Вселенной началось около 13,8 млрд лет назад с планковского момента времени ~10⁻⁴³ с из состояния космологической сингулярности. По современным представлениям, физической причиной, вызвавшей расширение, является скалярное поле, называемое инфлатоном, которое доминировало в очень ранней Вселенной и имело большое отрицательное давление, равное по модулю плотности энергии этого поля. Согласно уравнениям общей теории относительности, такое состояние характеризуется наличием гравитационного отталкивания и поэтому приводит к возникновению инфляционной стадии расширения Вселенной. Эта стадия предположительно имела место при возрасте Вселенной от 10⁻⁴³ до 10⁻³⁵ с. Термин «инфляция» означает, что скорость роста масштабного фактора $a(t)$ пропорциональна его величине (коэффициентом пропорциональности является параметр Хаббла $H,$ который во время инфляции не меняется со временем):

$\displaystyle \frac{da(t)}{dt}=H\cdot a(t).$Во время инфляции потенциальная энергия, содержащаяся в скалярном поле инфлатона, выделялась в виде кинетической энергии 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 элементарных частиц и их кинетической энергии – так образовалась горячая плазма. Далее Вселенная расширялась по инерции в соответствии с уравнениями космологической модели Фридмана, 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 вечной инфляции, построенная в работах А. Д. Линде. 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 Мультиленная. В рамках этой теории, наша наблюдаемая Вселенная 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 плазма. Температура этой плазмы была значительно выше, чем энергия покоя большинства типов частиц, составляющих эту плазму. Плотность вещества $ρ$ подчинялась соотношению

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

$$N_f=\sum_{B}N_B+\frac{7}{8}\sum_{F}N_F,$$где $N_B$ – число бозонных степеней свободы, $N_F$ – число фермионных степеней свободы. В Стандартной модели физики элементарных частиц можно определить $N_f$ до температур порядка нескольких сотен ГэВ. С учётом 72 степеней свободы для кварков, 12 для электрически заряженных лептонов, 6 для нейтрино, 9 для слабых векторных бозонов, 2 для фотонов, 1 для бозона Хиггса и 16 для глюонов получается $N_f=106,\!75.$ Величина $N_f$ 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 эпоху доминирования релятивистской плазмы, до начала эпохи первичного нуклеосинтеза, произошло рождение избытка вещества над антивеществом (рождение барионного избытка, или барионной асимметрии Вселенной). Для образования такого избытка на определённом этапе развития Вселенной должны выполняться специальные условия, сформулированные А. Д. Сахаровым (1967) и В. А. Кузьминым (1970): должны идти процессы с нарушением сохранения барионного числа, в этих процессах должны быть нарушены C- и CP-симметрии (C-симметрия – это зарядовая чётность, P-симметрия – это симметрия относительно отражения пространственных осей), эти процессы не должны быть равновесными (в отличие от рассеяния частиц, находящихся в термодинамическом равновесии 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 электрослабого взаимодействия на электромагнитное и слабое). В эту эпоху появляется масса у элементарных частиц за счёт механизма Хиггса, 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 конфайнмент кварков, рождаются протоны и нейтроны.

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 $t\approx1\ с$ после начала расширения Вселенной, когда её температура падает примерно до 10¹⁰ К (что соответствует 1 МэВ), начинается эпоха первичного нуклеосинтеза, которая длится примерно от $t\approx1\ с$ до $t\approx200\ с.$ Эта стадия является надёжным инструментом для изучения ранней Вселенной. Свойства различных атомов и взаимодействия элементарных частиц описываются Стандартной моделью физики частиц. Теоретические выводы этой модели находятся в хорошем согласии с наблюдаемым изобилием некоторых лёгких химических элементов. Наблюдаемые распространённости D (дейтерия, изотопа 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 Солнечной системы и некоторых облаков водорода в нашей Галактике, 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 $T$ слабое взаимодействие обусловливало процессы превращения протонов в нейтроны и обратно вследствие их взаимодействия с электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино. Эти процессы находились в тепловом равновесии, вследствие чего отношение концентраций нейтронов $n_n$ и протонов $n_p$ было зафиксировано на уровне

$$\frac{n_n}{n_p}=e^{\frac{-1,293\ МэВ}{T}},$$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 релятивистском компоненте материи остались только фотоны, электроны и позитроны.

Темп взаимных превращений протонов и нейтронов определяется константой Ферми $G_F$ и температурой плазмы $T\!:$

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

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

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

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

${\rm D}+n\rightarrow{\rm T}+\gamma,$${\rm D}+p\rightarrow{\rm ^3He}+\gamma,$${\rm D}+{\rm D}\rightarrow{\rm T}+p+\gamma,$${\rm D}+{\rm D}\rightarrow{\rm ^3He}+n+\gamma.$Реакции заканчиваются образованием наиболее стабильного изотопа гелия $\rm{^4He}\!:$

${\rm T}+p\rightarrow{\rm ^4He}+\gamma,$${\rm ^3He}+n\rightarrow{\rm ^4He}+\gamma.$Кроме гелия, образуется небольшое количество изотопа ${\rm ^7Li}.$ Более тяжёлые химические элементы не образуются из-за отсутствия стабильных ядер с массовыми числами $A=5$ и $A=8.$ Остальные элементы периодической системы Менделеева образуются в ходе последующих термоядерных реакций в звёздах (звёздный нуклеосинтез).

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

$\displaystyle Y=\frac{n_n/n_p}{1+n_n/n_p}\approx0,\!25,$где под величиной $n_n/n_p$ уже подразумевается отношение концентраций нейтронов и протонов на момент окончания нуклеосинтеза, так что некоторая часть нейтронов к этому моменту успела распасться. Таким образом, самым распространённым элементом во Вселенной остаётся водород – около 75 % по массе; второе место занимает гелий-4 $({\rm ^4He})$ – около 25 % по массе. Остальные лёгкие элементы составляют малую долю: ${\rm D}\approx2,\!6\cdot10^{-5},$ ${\rm ^3He}\approx10^{-5},$ ${\rm ^6Li}\approx1,\!3\cdot10^{-13},$ ${\rm ^7Li}\approx4,\!6\cdot10^{-10}.$

Рис. 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.Рис. 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 реликтовых фотонов. 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 $N\!=\!3$ и время жизни нейтрона составляет $n=880,\!3±1,\!1\ с.$ Ширины кривых обозначают уровень достоверности $1σ.$ Согласно наиболее надёжно измеренному относительному обилию дейтерия $({\rm D}/{\rm H})$ и обилию гелия-4 $(Y),$ параметр плотности барионов $\Omega_b$ лежит в интервале (уровень достоверности 95 %)

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

где $h$ – 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 параметр плотности барионного вещества Вселенной значительно меньше единицы, $\Omega_b\ll1,$ т. е. плотность барионов значительно меньше критической плотности Вселенной. Общая плотность барионов, в свою очередь, значительно больше плотности светящейся материи во Вселенной (звёзды и газ в галактиках), которая составляет $Ω_{\rm lum}\approx0,\!0024\ h^{-1}.$ Это означает, что большинство барионов не видно в оптическом диапазоне спектра и находится, вероятно, в форме диффузной межгалактической среды. Наконец, с учётом того что параметр плотности для всего нерелятивистского вещества Вселенной $\Omega_m\approx0,\!3,$ можно сделать вывод, что большинство материи во Вселенной находится в небарионной форме.

Эпоха рекомбинации и начало образования крупномасштабной структуры Вселенной

Следующая важная эпоха эволюции Вселенной началась, когда температура плазмы упала до $T=9251\ К$ (красное смещение соответствующей эпохи $z=3395$). Это момент равенства плотности энергии вещества (включая тёмную материю и барионы) и плотности энергии излучения. С этого момента времени началась эпоха доминирования вещества. Кроме того, вследствие гравитационной неустойчивости начался активный рост контрастов (неоднородностей) плотности тёмной материи, зародившихся во время инфляционной стадии. К этому моменту в равновесном состоянии в плазме остались только протоны, электроны и фотоны. Равновесие между ними поддерживалось благодаря томсоновскому рассеянию. Рост возмущений плотности барионного вещества ещё не мог начаться, поскольку ему препятствовало радиационное торможение (торможение Силка).

Примерно через 380 тыс. лет после начала расширения Вселенной произошла рекомбинация, т. е. объединение положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов в электрически нейтральные атомы 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 абсолютно чёрного тела, адиабатически понижая свою температуру при расширении Вселенной. Эти фотоны носят название реликтовых фотонов. Их источник – сфера, окружающая нас, которая называется поверхностью последнего рассеяния. 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 галактики и квазары образовались спустя примерно 500 млн лет после начала расширения Вселенной. Примерно через 1 млрд лет после начала расширения излучение первых звёзд, образовавшихся в галактиках, вновь ионизовало водород (т. н. вторичная ионизация). Оптическая толща вторичной ионизации меньше единицы, Вселенная практически прозрачна. Примерно в это время образовалась крупномасштабная структура Вселенной.

Спустя примерно 7,6 млрд лет после Большого взрыва расширение Вселенной по инерции сменилось на расширение с ускорением, которое продолжается и в настоящее время.

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

История поиска тёмной материи. Видеолекция Ольги Сажиной. 2023.История поиска тёмной материи. Видеолекция Ольги Сажиной. 2023.

Архив БРЭАрхив БРЭ