Первые несколько секунд Большого взрыва: что мы знаем и чего не знаем

Пол М. Саттер - астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон, ведущий "Спроси астронавта" и космического радио, а также автор книги "Как умереть в космосе". Он написал статью, в которой попытался объяснить, что происходило в это время.

Здесь ситуация, мягко говоря, сложная, и, хотя мы добились значительного прогресса, нам еще предстоит многому научиться. От миниатюрных черных дыр до экзотических взаимодействий - юная вселенная была оживленным местом.

Начнем с общих рамок. 13,77 миллиарда лет назад наша Вселенная была невероятно горячей (температура превышала квадриллион градусов) и невероятно маленькой (размером с персик). Астрономы подозревают, что, когда нашему космосу было меньше секунды, он пережил период невероятно быстрого расширения, известного как инфляция.

Это событие инфляции было, пожалуй, самой революционной эпохой, когда-либо происходившей в истории нашей Вселенной. Менее чем за мгновение наша Вселенная стала невероятно больше (увеличившись по крайней мере в 10 ^ 52 раз). Когда эта фаза быстрого расширения подошла к концу, все, что в первую очередь вызвало инфляцию (мы не уверены, что именно), распалось, заполнив Вселенную материей и излучением (мы не знаем, как именно).

Через несколько минут (буквально) появились первые элементы. До этого времени Вселенная была слишком горячей и слишком плотной для образования чего-либо стабильного - это была просто гигантская смесь кварков (фундаментальных строительных блоков атомных ядер) и глюонов (переносчиков сильного ядерного взаимодействия). Но когда Вселенная достигла 12 минут от роду, она расширилась и остыла настолько, что кварки смогли соединиться вместе, образуя первые протоны и нейтроны. Эти протоны и нейтроны создали первые водород и гелий (и немного лития), которые спустя сотни миллионов лет образовали первые звезды и галактики .

С момента образования первых элементов Вселенная просто расширилась и остыла, в конечном итоге превратившись в плазму, а затем в нейтральный газ.

Хотя мы знаем, что эта общая история верна, мы также знаем, что нам не хватает многих деталей, особенно в период до формирования первых элементов. Некоторая физика могла действовать, когда Вселенной было всего несколько секунд, и в настоящее время это выходит за рамки нашего теоретического понимания, но это не останавливает нас от попыток.

В статье, недавно появившейся в журнале препринтов arXiv и принятой к публикации в The Open Journal of Astrophysics, излагаются некоторые из наиболее экзотических сценариев очень ранней вселенной.

Например, это целиком вопрос о темной материи. Мы не знаем, из чего состоит темная материя, но знаем, что на нее приходится более 80% материи во Вселенной. У нас есть хорошо понятная история о том, как нормальная материя возникла в горячем плотном супе раннего космоса, но мы не знаем, когда и как темная материя появилась на сцене. Это появилось в первые секунды? Или намного позже? Это испортило космическую химию, которая привела к появлению первых элементов, или осталось на заднем плане? Мы не знаем.

Тогда есть сама инфляция. Мы не знаем, что послужило источником энергии для невероятного события расширения, мы не знаем, почему оно длилось столько времени, сколько оно длилось, и мы не знаем, что в конечном итоге его остановило. Возможно, инфляция длилась дольше, чем мы предполагали, и дала о себе знать на целую секунду, а не на крошечную долю, которую мы предполагали. 

Вот еще одна проблема: у каждого космолога есть эта огромная проблема, известная как асимметрия вещества и антивещества . Из экспериментов мы видим, что материя и антивещество совершенно симметричны: каждой частице материи, образующейся в реакциях по всей Вселенной, есть соответствующая частица антивещества. Но когда мы смотрим вокруг космоса, мы видим груды и груды нормального вещества, а не капли антивещества. Что-то огромное должно было произойти в первые несколько секунд существования Вселенной, чтобы нарушить этот баланс. Но насчет того, кто или что несет ответственность, и точный механизм, мы не уверены.

И если темной материи, инфляции и антивещества было недостаточно, также есть вероятность, что ранняя Вселенная могла создать поток маленьких черных дыр. Черные дыры в современном космосе (то есть за последние 13 миллиардов лет) все возникли в результате смерти массивных звезд. Это единственные места, где плотность материи может достичь критического порога, необходимого для образования черной дыры. Но в экзотической ранней Вселенной случайные участки космоса, возможно, достигли достаточной плотности, что привело к созданию черных дыр без необходимости сначала пройти через весь процесс звездообразования. Может быть.

Хотя наша теория Большого взрыва подтверждается множеством данных наблюдений, существует множество загадок, удовлетворяющих любопытство поколений космологов. К счастью, мы не совсем слепы, пытаясь изучить эту раннюю эпоху. 

Например, даже если мы не можем напрямую увидеть состояние Вселенной, когда ей было всего несколько секунд, мы можем попытаться воссоздать эти условия в наших мощных коллайдерах частиц. Он не идеален, но, по крайней мере, может научить нас физике подобных сред.

Мы также можем искать подсказки, оставшиеся от первых нескольких секунд. Все, что происходило тогда, оставило бы свой след в более поздней вселенной. Изменение количества темной материи или продолжающаяся инфляция нарушили бы создание водорода и гелия, что мы можем измерить сегодня.

А Вселенная перешла из плазмы в нейтральный газ, когда ей было 380000 лет. Высвободившийся свет сохранился в виде космического микроволнового фона . Если бы во Вселенной возникла куча маленьких черных дыр, они бы повлияли на этот световой паттерн послесвечения.

Можно даже надеяться непосредственно наблюдать эту эпоху. Не светом, а гравитационными волнами. Этот хаотический ад, должно быть, вызвал волну ряби в ткани пространства-времени, которая, подобно космическому микроволновому фону, сохранилась бы до наших дней. У нас пока нет технологической возможности напрямую наблюдать эти гравитационные волны, но с каждым днем ​​мы приближаемся все ближе.

И, возможно, когда мы это сделаем, мы сможем заглянуть в новорожденную вселенную.