Микромир Вселенной – ее прошлое

Эволюция Вселенной основные этапы.

1. Период времени от 0 до 10^-35 с - раздувающаяся (инфляционная) Вселенная.

Т~10²⁷ К, единый тип взаимодействий и новые элементарные частицы - скалярные Х-бозоны.

2. 10^-33с. разделение кварков и лептонов на частицы и античастицы.

Дисимметрия между числом частиц и античастиц (антич.<частиц ~10^-6). Таким образом, вещество во Вселенной преобладает над антивеществом.

3. 10^-10c – T=10¹⁵K

Разделение сильного и слабого взаимодействий.

4. 10^-2с – стандартная модель развития Вселенной. Число фотонов=числу позитронов.

5. 1 сек. Т=10¹⁰К.

Вселенная остыла. Остались только фотоны (кванты света), нейтрино и антинейтрино, электроны и позитроны и маленькая примесь нуклонов.

Отметим, что при эволюции Вселенной происходят процессы взаимного преобразования вещества в излучение и наоборот. Проиллюстрируем это тезис на примере процессов рождения и аннигиляции элементарных части. Процессы рождения пар электрон-позитрон при столкновении гамма-квантов и аннигиляции пар электрон-позитрон с превращением в фотоны:

g +g ® e⁺ + e^-

e⁺ + e^-® g +g

Для рождения пары электрон-позитрон надо затратить энергию около 1 Мэв, значит, такие процессы могут идти при температуре выше десяти миллиардов градусов (напомним, что температура Солнца около 10⁸ К)

6. 3 мин. Т=10⁹К

Нуклоны участвуют в термоядерных реакциях: происходит космологический нуклеосинтез легких элементов (в основном ядра гелия), и, конечно, в наибольшем количестве остается основной элемент Вселенной - водород.

Вещество – гелий – 22-28%, остальное – протоны. Основная энергия – в излучении – фотоны – 69%, нейтрино – 31%.

7. Миллион лет спустя Вселенная остывает настолько, что электроны и ядра рекомбинируют, образуя нейтральные атомы водорода, которые составляют 90% всех атомов, гелия -10%. Фотоны (кванты электромагнитного излучения - света) перестают взаимодействовать с веществом и остаются в виде фона - так называемого реликтового излучения.

Сейчас температура Вселенной - 2.7 К.

Вся информация о процессах, протекавших во Вселенной, осталась «записанной» в особом типе космического излучения – так называемого реликтового излучения. Реликтовое излучение было экспериментально обнаружено в 1965 г. американскими радиоастрономами А.Пензиасом и Р.Вилсоном.

Звезды, Галактики и другие структуры Вселенной.

Как развивалась Вселенная дальше? “Распад” Вселенной (возвращение к “первоначальному равновесному” состоянию) или усложнение структуры Вселенной?

Во Вселенной произошел скачок, и возникли разномасштабные структуры. Скачкообразный переход в новое состояние с разными подсистемами - от звезд и планет до сверхскопления Галактик.

Однородная и изотропная модель Вселенной - это первое приближение, справедливое лишь в достаточно больших масштабах, превышающих 300-500 млн. световых лет.

В меньших масштабах вещество распределено очень неоднородно: звезды собраны в галактики, галактики - в скопления.

Ячеистая структура Вселенной.

Размер этих ячеек около 100-200 млн. световых лет.

Сжатые облака, находящиеся на стенках ячеек - это место, где в дальнейшем образуются галактики.

Образование первых звезд.

Вселенная представляла газовое облако (газ – атомы водорода и гелия).

Под действием гравитации - части облака сжимаются и одновременно разогреваются.

При достижении высокой температуры в центре сжатия начинают протекать термоядерные реакции с участием водорода - родилась звезда.

Водород переходит в гелий, и в желтых карликах типа нашего Солнца больше ничего не происходит.

В массивных звездах (красные гиганты) водород быстро сгорает, звезда сжимается и разогревается до температур несколько сотен миллионов градусов. В них происходят сложные термоядерные реакции - например, три ядра гелия объединяются и образуют возбужденное ядро углерода. Затем углерод с гелием образуют кислород и так далее вплоть до образования атомов железа.

Более тяжелые элементы требуют участия в реакциях заряженных частиц и нейтронов, а самые тяжелые элементы образуются при взрыве звезды - вспышка Сверхновой.

Во Вселенной существуют газопылевые облака (газ – водород и гелий, пыль – остатки звезды, т.е. тяжелые элементы, и возможно, соединения этих элементов), из которых возможно образование звезд следующих поколений.

(Файл halo.mpg)

Галактики

Галактики - это стационарные звездные системы, удерживаемые за счет гравитационного взаимодействия. В нашей Галактике (Млечный путь) примерно 10¹¹ звезд.

Галактики, как и звезды, образуют группы и скопления.

Средняя плотность видимого вещества оказывается одинаковой:

r»3•10^-31 г/см³. Примеры галактик

М1 М51-99

N253-95 Спиральная галактика

Объекты Вселенной

Нейтронные звезды

Нейтронные звезды (состоящие, в основном, из нейтронов) - очень компактные космические объекты размером около 10 км, с огромным магнитным полем (10¹³ гаусс). Нейтронные звезды обнаружены в виде пульсаров (пульсирующие источники радио- и рентгеновского излучений), а также барстеров (вспышечные источники рентгеновского излучения).

Черная дыра

В черной дыре большая масса вещества заключена в малом объеме (например, чтобы Солнце стало черной дырой, его диаметр должен уменьшится до 6 км).

По современным представлениям, массивные звезды, заканчивая свою эволюцию, могут сколлапсировать в черную дыру.

Квазары - (квазизвезды)

- ядра галактик и представляют собой сверхмассивные черные дыры.

Будущее Вселенной.

Будет ли разлет галактик продолжаться всегда или расширение сменится сжатием?

Для этого необходимо рассчитать, хватит ли сил гравитации остановить расширение (расширение идет по инерции, действуют лишь силы тяготения).

Рассчитанное критическое значение плотности составляет

r_кр»10^-29 г/см³,

а экспериментальное значение r»3•10^-29 г/см³, т.е меньше критического значения.

Но... оказалось, что все не так просто, поскольку мы не знаем точно плотность (массу) Вселенной.

Как определить массу, а следовательно и плотность Вселенной?

В галактиках много темной, скрытой массы. Этой массы почти в 10 раз больше (90 %), чем "видимой массы". Что же это за невидимое вещество?

Во- первых, это масса черных дыр.

Во-вторых, необходимо учитывать массу элементарных частиц, которых очень много. Например, нейтрино, масса которых очень мала (составляет одну тридцатимиллионную массы протона) - и в этом случае 90-99% всей массы Вселенной скрыто в виде массы нейтрино.

Однако сегодня ученые говорят о новейшей революция в космологии.

1. Во Вселенной доминирует вакуум; по плотности энергии он превосходит все "обычные" формы космической энергии, вместе взятые;

2. Динамикой космологического расширения управляет антигравитация.

Относительная плотность вакуума:

ρ(V)≈0.7

Относительная плотность темного вещества (скрытой массы)

ρ(ТВ)≈0.3

Относительная плотность светящегося вещества (звезды и галактики)

ρ(СВ)≈0.02

Относительная плотность излучения

ρ(V)≈10^-5

Наблюдательные исследования далеких вспышек сверхновых звезд указывают на присутствие во Вселенной космического вакуума.

Вакуум создает поле антигравитации, которое вызывает ускорение космологического расширения.

Вселенная будет расширяться неограниченно долго

Вернемся к вопросу: «Как образовалась Вселенная?»

Итак, напомним, что развитие Вселенной началось с «первоначального вещества» с плотностью 10³⁶ г/см³ и с температурой 10²⁸ К. «Частицы» в этом первоначальном сгустке обладают огромной кинетической энергией, и вещество начинает расширяться, при этом температура и плотность Вселенной непрерывно уменьшаются.

Возможность зарождения Вселенной из «ничего».

В целом Вселенная электронейтральна, поэтому она могла родиться из нулевого заряда.

Простая аналогия: Энергия «ничего» равна нулю, но и энергия замкнутой Вселенной равна нулю, поэтому Вселенная возникла из «ничего».

Приложение

Время	Т, К	Плотность, г/см3	Состояние материи
10-2 с	1011	4•109	Излучение и вещество (число фотонов = числу позитронов)
Неск. секунд	1010	105	Фотоны, нейтрино, электроны, протоны, нейтроны.
3 мин	109	10-1	Нуклеосинтез (образование химических элементов: дейтерий, гелий)
105 лет	103	10-20	Начало преобладания вещества
109 лет		10-28	Образование звезд, галактик
1010 лет		~10-30	Современное состояние Вселенной