Жак Поль – Вселенная с нуля. От Большого взрыва до абсолютной пустоты (страница 6)
Уплотняясь и коллапсируя, темная материя увлекала за собой барионную. Таким образом, начали формироваться небольшие сгустки размером с карликовую галактику. Переварившись в тигле темной материи, барионная материя концентрировалась и одновременно фрагментировала, образуя звезды. Они начинали светиться, и по Вселенной поплыли волны ультрафиолетовых излучений, готовых вновь снять шкурку с атомов, остававшихся нейтральными после рекомбинации. Началась настоящая реионизация среды, распространявшаяся от одного атома к другому. Темные века закончились примерно через двести миллионов лет. Вселенная пришла в состояние, в котором мы ее знаем, и для него характерно огромное разнообразие звезд.
☛ СМ. ТАКЖЕ
Возникновение материи (10–12 секунд после начала расширения)
Материя побеждает антиматерию (10–6 секунд после начала расширения)
Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)
Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)
Рождение самой древней из известных звезд (13,6 миллиарда лет назад)
13,7 миллиарда лет назад
Образование крупных структур
Компьютерное моделирование позволяет проследить, как из первичных неоднородностей плотности сформировались крупные структуры, и создать модели, очень близкие к реально наблюдаемым.
Большинство космологов полагает, что особенности эволюции Вселенной, начиная с фазы рекомбинации и образования крупных структур, вплоть до наших дней, лучше всего объясняются с помощью предположения о существовании во Вселенной большого количества темной материи. Ее намного больше, чем материи барионной; она предположительно состоит из массивных частиц, движущихся с очень небольшими, по сравнению со скоростью света, скоростями. Цифровое моделирование, применяемое все шире и активнее, позволяет получить весомые аргументы в пользу этого предположения. Эта модель получила название «холодной темной материи», и оно связано с предположением о низкой скорости движения ее частиц.
Когда развитие физической системы необходимо описать уравнением, нужно определить ее начальное и конечное состояния. Именно так обстоит дело и со Вселенной, с ее превращениями с момента рекомбинации до наших дней. Для того чтобы определить исходное состояние системы, достаточно обратиться к данным, полученным при наблюдениях реликтового фонового излучения; самые точные данные были получены европейским космическим зондом «Планк». Что же касается конечного состояния, то его можно определить из последних астрономических наблюдений. С помощью цифрового моделирования на самых совершенных компьютерах, какими располагает международное научное объединение Virgo, космологи смогли описать эволюцию Вселенной от момента возникновения мельчайших флуктуаций плотности в эпоху рекомбинации до наблюдаемого тринадцать миллиарда лет спустя состояния, когда материя сконцентрировалась в галактики, сгруппированные в скопления, в узлы гигантской космической сети, разделенные зияющими между ними огромными пустотами.
Финальный результат моделирования коллективом Virgo эволюции вырезанного из Вселенной куба со сторонами длиной более двух миллиардов световых лет. В 2005 году космологи Virgo, используя одно из самых мощных вычислительных устройств на планете, реконструировали эволюцию двадцати миллионов галактик, рассеянных в этом невероятном по объему пространстве.
Моделирование отводит холодной темной материи весьма важное место: получается, что первыми структурами, которые сформировались за сто миллионов лет, стали протогалактики массой порядка ста миллионов солнечных масс. Эти объекты пережили впоследствии череду слияний, приведших к образованию галактик, средняя масса которых достигала ста миллиарда солнечных масс. Британский астрофизик Мартин Рис вместе с другими учеными активно пропагандируют эту гипотезу, получившую название «восходящей эволюции структур», в ходе которой формируются все более и более массивные объекты. Гипотеза, использующая противоположную модель «горячей темной материи» и получившая название «нисходящей эволюции», практически ушла с научных горизонтов еще в 1980-е годы, поскольку она вошла в глубокое противоречие с данными современных астрономических открытий.
☛ СМ. ТАКЖЕ
Возникновение материи (10–12 секунд после начала расширения)
Материя побеждает антиматерию (10–6 секунд после начала расширения)
Вселенная становится прозрачной (380 тысяч после начала расширения)
Темные века (13,7 миллиарда лет назад)
13,6 миллиарда лет назад
Рождение самой древней из известных звезд
Звезда второго поколения зажглась в одной из протогалактик, сливавшихся друг с другом при образовании будущего Млечного Пути. Это одна из самых древних из всех известных звезд.
Работая в обществе, где всем заправляет логика продвижения личных достижений, ученые больше не стесняются производить сенсации. Они рассчитывают таким образом привлечь внимание организаций, готовых финансировать их исследования. Астрофизики тоже принимают участие в этом соревновании и активно распространяют громкие новости о необычных небесных объектах, таких, например, как первые звезды, которые начали светить еще в темные века. Появление звезд ознаменовало важный поворот в истории Вселенной. Именно внутри них начался синтез химических элементов, разнообразие которых прежде, в эпоху первичного ядерного синтеза, исчерпывалось гелием.
В одной из протогалактик, находившейся в процессе слияния с другими – такие же процессы гораздо позже привели к образованию и нашего Млечного Пути, – сформировалась первая россыпь звезд. Они образовались из газообразных водорода и гелия, единственных элементов, порожденных Большим взрывом. Самые массивные звезды, длительность жизни которых была относительно короткой, обогатили эту среду первыми «металлами», произведенными в их недрах. Астрофизики называют металлами все элементы, отличающиеся от гелия и водорода (хотя с химической точки зрения углерод или кислород к металлам не относятся), а их относительное содержание в газовом облаке именуют «металличностью». Новые поколения звезд формировались в среде, которая характеризовалась очень невысоким уровнем металличности. Наименее массивные из них, с самой длительной продолжительностью жизни, светят нам и в XXI веке. Астрофизики уделяют большое внимание их поиску, поскольку эти звезды с небольшим содержанием металлов представляют собой настоящие живые ископаемые, видевшие начало звездообразования во Вселенной.
В 2014 году международная группа астрофизиков заявила об открытии самой старой из когда-либо наблюдавшихся звезд (ей 13,6 миллиарда лет). Ее обнаружили при сканировании неба в южном полушарии с помощью широкоугольного телескопа австралийской обсерватории Сайдинг-Спринг в Новом Южном Уэльсе. Эта звезда получила номер SMSS 0313–6708. Она расположена на расстоянии около шести тысяч световых лет от Земли и содержит очень мало железа, что и свидетельствует об ее почтенном возрасте. Согласно данным, полученным с помощью одного из двух телескопов «Магеллан» американской обсерватории Лас-Кампанас в Чили, содержание железа в звезде SMSS 0313–6708 по меньшей мере в миллион раз меньше, чем в Солнце! Астрофизики полагают, что эта звезда образовалась в результате взрыва значительно более массивной первичной звезды (массой в шестьдесят солнц).
☛ СМ. ТАКЖЕ
Большой взрыв (Начало расширения)
Образование гелия (3 минуты после начала расширения)
Окончание первичного ядерного синтеза (20 минут после начала расширения)
Темные века (13,7 миллиарда лет назад)
Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)
13,4 миллиарда лет назад
Галактика уже ярко сияет
В 2015 году астрофизики, сканируя небо в инфракрасном диапазоне, обнаружили галактику, свет от которой, испущенный непосредственно после темных веков, только теперь дошел до нас в своей первозданности.
Через триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва Вселенная была электрически нейтральной и уже достаточно холодной для того, чтобы электроны, носители отрицательного электрического заряда, надолго связались с атомными ядрами (в основном в форме водорода и гелия), появившимися в более ранние эпохи и заряженными изначально положительно. Но ситуация вновь перевернулась примерно миллиард лет спустя. Вселенная снова пережила ионизацию, влияние которой проявляется даже в наши дни. Под воздействием разрушительных ультрафиолетовых излучений атомы водорода потеряли все свои электроны, и все ядра вновь стали ионами.
Когда же примерно произошла «реионизация» водорода? Какие источники смогли испустить столь мощные ультрафиолетовые лучи, которым было под силу разорвать на части все атомы водорода во Вселенной? Астрофизики, чтобы найти первые звезды, осветившие темные века ультрафиолетовым излучением, попробовали исследовать самые далекие светила. Для оценки расстояния они использовали данные, связанные с расширением Вселенной, растяжение ткани самого пространства, которое тем более увеличивает длину волны излучения, чем дальше от нас его источник. Это увеличение длин волн называется «красным смещением» (по-английски – redshift) – в видимом спектре самые длинные волны – красные.