29.3: Початок Всесвіту

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78571

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Опишіть, яким був Всесвіт протягом перших кількох хвилин після того, як вона почала розширюватися
Поясніть, як утворилися перші нові елементи протягом перших кількох хвилин після Великого вибуху
Опишіть, як змінюється вміст Всесвіту у міру зниження температури Всесвіту

Найкращі докази, які ми маємо сьогодні, свідчать про те, що перші галактики почали формуватися лише через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху. Якими були речі до того, як існували галактики, і простір ще не дуже сильно розтягнувся? Дивно, але вчені змогли досить детально прорахувати, що відбувалося у Всесвіті в перші кілька хвилин після Великого вибуху.

Історія ідеї

Одна справа сказати, що Всесвіт мав початок (як означають рівняння загальної відносності) і зовсім інше, щоб описати цей початок. Бельгійський священик і космолог Жорж Леметр, мабуть, першим запропонував конкретну модель для самого Великого вибуху (рис.\(\PageIndex{1}\)). Він уявляв собі всю матерію Всесвіту, починаючи з однієї великої маси, яку він назвав первісним атомом, який потім розбився на величезну кількість частин. Кожен з цих шматочків продовжував фрагментувати далі, поки вони не стали справжніми атомами Всесвіту, створеними в величезному ядерному поділі. У популярному розповіді про свою теорію Леметр писав: «Еволюцію світу можна порівняти з показом феєрверків щойно закінчилися - деякі кілька червоних пучок, попелу та диму. Стоячи на добре охолодженому шлаку, ми бачимо повільне згасання сонць і намагаємося згадати зниклий блиск походження світів».

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\) Абате Жорж Леметр (1894—1966). Цей бельгійський космолог вивчав теологію в Мехелені та математику та фізику в Левенському університеті. Саме там він почав досліджувати розширення Всесвіту і постулював її вибухонебезпечне початок. Він фактично передбачив закон Хаббла за 2 роки до його перевірки, і він першим серйозно розглянув фізичні процеси, за допомогою яких почалася Всесвіт.

Фізики сьогодні знають набагато більше про ядерну фізику, ніж було відомо в 1920-х роках, і вони показали, що первісна модель поділу не може бути правильною. І все ж бачення Леметра в деяких відношеннях було досить пророчим. Ми все ще віримо, що все було разом на початку; це було просто не в тій формі матерії, яку ми зараз знаємо. Основні фізичні принципи говорять нам, що коли Всесвіт був набагато щільнішим, він також був набагато гарячішим, і що він охолоджується в міру розширення, так само, як газ охолоджується при розпилюванні з аерозольного балончика.

До 1940-х років вчені знали, що злиття водню в гелій є джерелом енергії Сонця. Злиття вимагає високих температур, і ранній Всесвіт, мабуть, був гарячим. Виходячи з цих ідей, американський фізик Джордж Гамов (Рисунок\(\PageIndex{2}\)) запропонував всесвіт з іншим видом початку, який передбачав ядерний синтез замість ділення. Ральф Альфер опрацьовував деталі для своєї кандидатської дисертації, а результати були опубліковані в 1948 році. (Гамов, який мав химерне почуття гумору, вирішив в останню хвилину додати до своєї роботи ім'я фізика Ганса Бете, щоб співавторами цієї роботи про початок речей були Альфер, Бет і Гамов, каламбур на перших трьох літерах грецького алфавіту: альфа, бета і гамма.) Всесвіт Гамова почався з фундаментальних частинок, які створили важкі елементи шляхом злиття в Великому вибуху.

Ідеї Гамова були близькі до нашого сучасного погляду, за винятком того, що ми тепер знаємо, що ранній Всесвіт залишався досить гарячим для злиття лише на короткий час. Таким чином, лише три найлегші елементи - водень, гелій та невелика кількість літію - утворилися в помітній кількості на початку. Більш важкі елементи утворилися пізніше в зірках. З 1940-х років багато астрономів і фізиків працювали над детальною теорією того, що сталося на ранніх стадіях Всесвіту.

Перші кілька хвилин

Почнемо з перших кількох хвилин після Великого вибуху. Три основні ідеї тримають ключ до відстеження змін, які відбулися протягом часу відразу після початку Всесвіту. Перший, як ми вже згадували, полягає в тому, що Всесвіт охолоджується в міру розширення. На малюнку\(\PageIndex{3}\) показано, як змінюється температура з плином часу. Зауважте, що величезний проміжок часу, від крихітної частки секунди до мільярдів років, узагальнено на цій діаграмі. У першій частці секунди Всесвіт був неймовірно гарячим. До моменту, коли минуло 0,01 секунди, температура знизилася до 100 мільярдів (\(10^{11}\)) К. Приблизно через 3 хвилини вона впала приблизно до 1 мільярда (109) К, все ще приблизно в 70 разів гарячіше, ніж внутрішня частина Сонця. Через кілька сотень тисяч років температура знизилася до всього 3000 К, і Всесвіт продовжував охолоджуватися з того часу.

Всі ці температури, але останні, походять від теоретичних розрахунків, оскільки (очевидно) ніхто не був там, щоб виміряти їх безпосередньо. Однак, як ми побачимо в наступному розділі, ми фактично виявили слабке світіння випромінювання, випромінюваного в той час, коли Всесвіту було кілька сотень тисяч років. Ми можемо виміряти характеристики цього випромінювання, щоб дізнатися, якими були речі давно. Дійсно, той факт, що ми знайшли це стародавнє сяйво, є одним з найсильніших аргументів на користь моделі Великого вибуху.

Другим кроком у розумінні еволюції Всесвіту є усвідомлення того, що в дуже ранні часи вона була настільки гарячою, що містила переважно випромінювання (а не те питання, яке ми бачимо сьогодні). Фотони, які заповнили Всесвіт, могли зіткнутися і виробляти матеріальні частинки; тобто в умовах відразу після Великого вибуху енергія могла перетворитися на матерію (а матерія може перетворитися на енергію). Ми можемо обчислити, скільки маси виробляється з заданої кількості енергії, використовуючи формулу Ейнштейна\(E = mc^2\) (див. Розділ про Сонце: Ядерна електростанція).

Ідея про те, що енергія може перетворитися на матерію у Всесвіті загалом, є новою для багатьох студентів, оскільки вона не є частиною нашого повсякденного досвіду. Це тому, що, коли ми порівнюємо всесвіт сьогодні з тим, яким він був відразу після Великого вибуху, ми живемо в холодні, важкі часи. Фотони у Всесвіті сьогодні, як правило, мають набагато меншу енергію, ніж кількість, необхідну для створення нової матерії. У дискусії про джерело енергії Сонця в The Sun: A Nuclear Powerhouse ми коротко згадали, що при зіткненні субатомних частинок речовини і антиречовини вони перетворюються в чисту енергію. Але зворотне, енергія, що перетворюється в речовину і антиречовину, однаково можлива. Цей процес спостерігався в прискорювачах частинок по всьому світу. Якщо у нас достатньо енергії, за правильних обставин дійсно створюються нові частинки речовини (і антиречовини) - і умови були правильними протягом перших кількох хвилин після початку розширення Всесвіту.

Наш третій ключовий момент полягає в тому, що чим гарячішим був Всесвіт, тим енергійнішими були фотони, доступні для виготовлення матерії та антиречовини (рис.\(\PageIndex{3}\)). Якщо взяти конкретний приклад, при температурі 6 мільярдів\(\left( 6 \times 10^9 \right)\) К зіткнення двох типових фотонів може створити електрон і його антиречовий аналог - позитрон. Якщо температура перевищує\(10^{14}\) К, можуть бути створені набагато більш масивні протони і антипротони.

Еволюція раннього Всесвіту

Зважаючи на ці три ідеї, ми можемо простежити еволюцію Всесвіту з того часу, коли вона була приблизно 0,01 секунди і мала температуру близько 100 мільярдів К. Чому б не почати з самого початку? Поки ще немає теорій, які дозволяють нам проникнути на час до приблизно\(10^{–43}\) секунди (це число - десяткова крапка, після якої йдуть нулі 42, а потім одиниця). Він настільки малий, що ми не можемо пов'язати це ні з чим у своєму повсякденному досвіді. Коли Всесвіт був таким молодим, її щільність була настільки високою, що теорія загальної відносності не адекватна для її опису, і навіть поняття часу руйнується.

Вчені, до речі, дещо успішніше описували Всесвіт, коли він був старшим за\(10^{–43}\) другий, але все ще менше приблизно 0,01 секунди. Деякі з цих ідей ми розглянемо пізніше в цьому розділі, але поки ми хочемо почати з дещо більш звичних ситуацій.

До того часу Всесвіт був 0,01 секунди, він складався з супу матерії та випромінювання; речовина включала протони та нейтрони, залишки від ще молодшого та гарячого Всесвіту. Кожна частинка швидко стикалася з іншими частинками. Температура вже не була достатньо високою, щоб зіткнулися фотони виробляти нейтрони або протони, але її було достатньо для виробництва електронів і позитронів (рис.\(\PageIndex{4}\)). Там, ймовірно, також було море екзотичних субатомних частинок, які згодом грали б роль темної матерії. Всі частинки коливалися самі по собі; протони та нейтрони все ще були занадто гарячими, щоб об'єднатися, утворюючи ядра атомів.

Подумайте про Всесвіт в цей час як про вируючий котел, з фотонами стикаються і змінюються енергією, а іноді руйнуються, щоб створити пару частинок. Частинки також зіткнулися один з одним. Часто частинка речовини і частинка антиречовини зустрічалися і перетворювали один одного в сплеск гамма-випромінювання.

Серед частинок, створених на ранніх фазах Всесвіту, був примарний нейтрино (див. Сонце: Ядерна електростанція), який сьогодні взаємодіє лише дуже рідко зі звичайною речовиною. Однак у переповнених умовах самого раннього Всесвіту нейтрино зіткнулися з такою кількістю електронів і позитронів, що відчували часті взаємодії, незважаючи на їх «асоціальну» природу.

На той час, коли Всесвіт був трохи більше 1 секунди, щільність знизилася до того моменту, коли нейтрино більше не взаємодіяли з матерією, а просто вільно подорожували через простір. Насправді ці нейтрино тепер повинні бути навколо нас. Оскільки вони безперешкодно подорожували космосом (а отже, і незмінними), оскільки Всесвіт був 1 секундою, вимірювання їх властивостей запропонували б один з найкращих випробувань моделі Великого вибуху. На жаль, сама характеристика, яка робить їх настільки корисними - той факт, що вони так слабо взаємодіють з матерією, що вони вижили без змін протягом усіх, крім першої секунди часу, - також робить їх неможливими для вимірювання, принаймні за допомогою нинішніх методів. Можливо, коли-небудь хтось придумає спосіб захопити цих невловимих посланців з минулого.

Форма атомних ядер

Коли Всесвіту було близько 3 хвилин, а його температура знизилася приблизно до 900 мільйонів К, протони та нейтрони могли поєднуватися. При більш високих температурах ці атомні ядра негайно були розірвані взаємодією з високоенергетичними фотонами і, таким чином, не могли вижити. Але при температурах і щільності, досягнутих між 3 і 4 хвилинами після початку, дейтерій (протон і нейтрон) тривав досить довго, щоб зіткнення могли перетворити частину його в гелій, (рис.\(\PageIndex{4}\)). По суті, весь Всесвіт діяв так, як сьогодні роблять центри зірок - зливаючи нові елементи з простіших компонентів. Крім того, може утворитися і трохи елемента 3, літію.

Однак цей сплеск космічного злиття був лише короткою інтермедією. Через 4 хвилини після Великого вибуху більше гелію виникли проблеми з формуванням. Всесвіт все ще розширювався і охолоджувався. Після утворення гелію та деякої кількості літію температура знизилася настільки низько, що злиття ядер гелію в ще важчі елементи не могло відбутися. Ніякі елементи поза літієм не могли утворитися в перші кілька хвилин. Цей 4-хвилинний період був кінцем того часу, коли весь Всесвіт був фабрикою злиття. У прохолодному Всесвіті, який ми знаємо сьогодні, злиття нових елементів обмежується центрами зірок та вибухами наднових.

Все-таки той факт, що модель Великого вибуху дозволяє створити велику кількість гелію, є відповіддю на давню таємницю в астрономії. Простіше кажучи, у Всесвіті занадто багато гелію, щоб пояснити, що відбувається всередині зірок. Усі покоління зірок, які виробляли гелій з часів Великого вибуху, не можуть враховувати кількість гелію, яку ми спостерігаємо. Крім того, навіть найдавніші зірки та найвіддаленіші галактики демонструють значну кількість гелію. Ці спостереження знаходять природне пояснення в синтезі гелію самим Великим вибухом протягом перших кількох хвилин часу. Ми підрахували, що за перші 4 хвилини Всесвіту було виготовлено в 10 разів більше гелію, ніж у всіх поколіннях зірок протягом наступних 10-15 мільярдів років.

Ці приємні анімації, які пояснюють, як різні елементи, що утворюються в історії Всесвіту, з сайту «Походження елементів» Чиказького університету.

Вчимося з дейтерію

Ми можемо багато чому навчитися з того, як ранній Всесвіт створив атомні ядра. Виявляється, весь дейтерій (водневе ядро з нейтроном в ньому) у Всесвіті утворилося протягом перших 4 хвилин. У зірках будь-яка область, досить гаряча, щоб сплавити два протони для утворення ядра дейтерію, також досить гаряча, щоб змінити його далі - або знищивши його через зіткнення з енергійним фотоном, або шляхом перетворення його в гелій за допомогою ядерних реакцій.

Кількість дейтерію, яке може бути вироблено в перші 4 хвилини створення, залежить від щільності Всесвіту в момент утворення дейтерію. Якби щільність була відносно високою, майже весь дейтерій був би перетворений у гелій через взаємодію з протонами, так само, як у зірок. Якби щільність була відносно низькою, то Всесвіт розширювався б і проріджувався б досить швидко, щоб вижив би якийсь дейтерій. Таким чином, кількість дейтерію, яку ми бачимо сьогодні, дає нам підказку до щільності Всесвіту, коли йому було близько 4 хвилин. Теоретичні моделі можуть співвідносити щільність тоді з щільністю зараз; таким чином, вимірювання кількості дейтерію сьогодні можуть дати нам оцінку щільності струму Всесвіту.

Вимірювання дейтерію показують, що сучасна щільність звичайної речовини - протонів і нейтронів - приблизно\(5 \times 10^{–28} \text{ kg/m}^3\). Дейтерій може забезпечити лише оцінку щільності звичайної речовини, оскільки велика кількість дейтерію визначається частинками, які взаємодіють для його утворення, а саме протонами та нейтронами. З великої кількості дейтерію ми знаємо, що недостатньо протонів та нейтронів у розмірі близько 20 разів для створення всесвіту критичної щільності.

Однак ми знаємо, що існують частинки темної матерії, які додають до загальної щільності речовини Всесвіту, яка тоді вища, ніж обчислюється лише для звичайної матерії. Оскільки частинки темної речовини не впливають на виробництво дейтерію, вимірювання кількості дейтерію не може сказати нам, скільки існує темної матерії. Темна матерія складається з якоїсь екзотичної частки, поки не виявленої ні в одній земній лабораторії. Він точно не зроблений з протонів і нейтронів, як читачі цієї книги.

Резюме

Леметр, Альфер і Гамов вперше розробили ідеї, які сьогодні називають теорією Великого вибуху. Всесвіт охолоджується в міру розширення. Енергія фотонів визначається їх температурою, і розрахунки показують, що в гарячій ранній Всесвіті фотони мали стільки енергії, що при зіткненні один з одним вони могли виробляти матеріальні частинки. У міру розширення і охолодження Всесвіту спочатку утворюються протони і нейтрони, потім прийшли електрони і позитрони. Далі в реакціях злиття утворюються ядра дейтерію, гелію та літію. Вимірювання достатку дейтерію в сучасному Всесвіті показують, що загальна кількість звичайної речовини у Всесвіті становить лише близько 5% від критичної щільності.

Глосарій

дейтерій: форма водню, в якій ядро кожного атома складається з одного протона і одного нейтрона

злиття: будівництво більш важких атомних ядер з більш легких

літію: третій елемент в таблиці Менделєєва; ядра літію з трьома протонами і чотирма нейтронами були виготовлені протягом перших кількох хвилин розширення Всесвіту