1.2. Концепция «Большого взрыва»

Стандартная модель эволюции Вселенной предполагает, что в момент перед «Большим взрывом» температура Т в сингулярности превышала 10¹³ градусов по шкале Кельвина, начало отсчета которой соответствует абсолютному нулю, или – 273 градуса по шкале Цельсия. Плотность материи должна была составлять не менее 10⁹³ г/см³. В таких условиях не могли существовать не только молекулы и атомы, но и атомные ядра. Материя представляла собой равновесную смесь различных элементарных частиц, включая фотоны. Физика элементарных частиц позволяет рассчитать состав такой смеси при разных температурах, соответствующих различным стадиям эволюции.

Поскольку сразу после «Большого взрыва» расширение происходило с очень высокой скоростью, температура и плотность быстро понижались. Так, уже через ~0,01 с от состояния сингулярности плотность должна была упасть до ~10¹⁰ г/см³. В этот момент материя должна была представлять собой совокупность фотонов, электронов, позитронов, нейтрино, антинейтрино, а также относительно небольшого количества нуклонов. При этом пары электронов и позитронов непрерывно аннигилировали, образуя фотоны, а те, в свою очередь, превращались опять в электрон-позитронные пары. Имеются основания предполагать, что уже на этой стадии произошло нарушение симметрии между веществом и антивеществом. Речь может идти о весьма незначительной флуктуации, состоящей в превышении количества частиц над числом античастиц (один лишний электрон на миллиард аннигилирующих пар).

Примерно через 3 минуты после состояния сингулярности в результате известных превращений из нуклонов образуются ядра двух первых элементов – водорода (75% по массе) и гелия (25%): происходит первичный нуклеосинтез. Объединение протона с одним или двумя нейтронами создает ядра изотопов водорода – дейтерия и трития. Образование ядер гелия происходит в результате нерезонансного захвата нейтрона протоном. В процессе такого захвата нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино и к двум протонам присоединяются еще один или два свободных нейтрона, образуя ядра двух изотопов гелия. На этом, однако, процесс нуклеосинтеза замедляется. Дело в том, что любая комбинация нуклонов с образованием ядра с массовым числом А = 5 неизбежно распадается, не успев сформироваться. Поэтому на стадии первичного нуклеосинтеза невозможно получение ядер с А > 4. Это препятствие на пути дальнейшего нуклеосинтеза получило название «щель массы».

Судя по всему, в барионном веществе Вселенной на этой стадии имело место заметное преобладание протонов над нейтронами. Когда все нейтроны оказались связанными с протонами, образовав ядра гелия, то таких ядер оказалось около 20%, остальную же часть составили протоны, т. е. ядра водорода. Поскольку температура в это время (~300 000 К) была всё еще высокой, время для образования атомов еще не наступило. Возникшая смесь ядер гелия и водорода получила название дозвездного вещества. Образование из него остальных химических элементов произойдет намного позднее, в процессе термоядерных реакций в недрах звезд.

Пока же к моменту t ~ 10⁶ лет, когда температура снизилась до ~3000 К, в результате рекомбинации нуклонов и электронов образуются нейтральные атомы гелия и водорода. В этот момент нарушилось термодинамическое равновесие между веществом, находившимся в состоянии горячей плазмы и излучением, поскольку кванты излучения уже не обладали достаточной для ионизации вещества энергией. Это означает, что электрон-позитронные пары перестали образовываться и только незначительное число электронов, для которых «не нашлось» позитронов, остались в составе вещественной составляющей. Аналогичная ситуация сложилась и для протонов. Поэтому вещество стало прозрачным для фотонов, и они должны наблюдаться в настоящее время в виде реликтового излучения теряющих энергию фотонов.

Действительно, в 1965 г. американские астрофизики Арно Аллан Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили реликтовое излучение, причем его свойства находились в хорошем согласии с предсказаниями теории. В частности, его температура в результате постепенного снижения с того времени, как и ожидалось, оказалась равной ~3 К. Изотропность реликтового излучения свидетельствует о том, что в период рекомбинации отсутствовали значительные неоднородности плотности, способные привести к образованию галактик.

Интересно, что изотропность реликтового излучения и независимость его температуры от направления наблюдения позволили обнаружить движение Солнечной системы относительно него как фона. Оказалось, что Солнце движется в направлении созвездия Льва со скоростью 390 ± 60 км/с. Это позволяет рассматривать реликтовое излучение как определенным образом выделенную систему координат во Вселенной, связанную с локальностью «Большого взрыва».