Что произошло в первые микросекунды после Большого взрыва?
Исследователи из Копенгагенского университета выяснили, что произошло с определенным видом плазмы – самой первой материей во Вселенной – в течение первой микросекунды после Большого взрыва. Их открытие раскрывает часть головоломки об эволюции Вселенной, какой мы знаем ее сегодня: современная наука гласит, что около 14 миллиардов лет назад наша Вселенная перешла из гораздо более горячего и плотного состояния в радикально расширяющееся – этот процесс н назвали Большим взрывом. И хотя мы знаем, что это быстрое расширение породило частицы, атомы, звезды, галактики и жизнь на нашей планете, детали того, как именно произошло рождение Вселенной, до сих пор неизвестны. Новая работа, по мнению ее авторов, проливает свет на самые первые мгновения существования всего сущего. Полученные результаты позволили исследователям пошагово восстановить эволюцию ранней Вселенной – с помощью Большого адронного коллайдера в ЦЕРН физикам удалось воссоздать то крошечное окно времени, в котором вся Вселенная была относительно компактной.
Исследование Института Нильса Бора раскрывает новые подробности того, что произошло в первые микросекунды после Большого взрыва
Как появилась Вселенная?
Наиболее обоснованная теория происхождения нашей Вселенной гласит, что она родилась в процессе Большого взрыва. К такому выводу исследователи пришли, наблюдая за галактиками – они удаляются от нашей с огромной скоростью во всех направлениях, как будто движимы древней взрывной силой.
Бельгийский священник по имени Жорж Леметр впервые предложил теорию Большого взрыва в 1920-х годах, предположив, что начало Вселенной положил один-единственный атом. Эта идея получила развитие благодаря наблюдениям Эдвина Хаббла, а также открытию в 1960—х годах космического микроволнового фонового излучения (реликтового излучения или эха Большого взрыва) Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном.
Реликтовое излучение – фоновое микроволновое излучение, одинаковое во всех направлениях. Имеет спектр, характерный для абсолютно черного тела при температуре
Дальнейшая работа ученых помогла прояснить темп Большого взрыва. Вот что пишет об этом National Geographic:
«В первые доли секунды своего существования Вселенная была очень компактной – менее миллиона миллиардов миллиардных размеров одного атома. Считается, что в таком непостижимо плотном энергетическом состоянии четыре фундаментальные силы – гравитация, электромагнетизм и сильные и слабые ядерные взаимодействия — были объединены в единое целое. Однако как именно это произошло, а также, как работает гравитация в субатомном масштабе, сегодня остается загадкой».
Исследователи также отмечают, что с течением времени и охлаждением материи во Вселенной начали формироваться более разнообразные виды частиц, которые в конечном итоге конденсировались в звезды и галактики. Примечательно, что к тому времени, когда возраст Вселенной составлял миллиардную долю секунды, она достаточно остыла, чтобы четыре фундаментальные силы отделились друг от друга, что позволило сформироваться фундаментальным частицам.
Предидущие исследования в этой доказали, что кварк-глюонная плазма действительно существует.
И все же во Вселенной было недостаточно жарко и многие известные сегодня частицы (например протон), просто не успели сформироваться. В дальнейшем, по мере того как Вселенная продолжала расширяться, этот обжигающе горячий первичный суп, называемый кварк-глюонной плазмой, продолжал остывать. Вот так мы и подошли к самому интересному – недавно исследователи из ЦЕРН, работающие на Большом адронном коллайдере, смогли воссоздать кварк-глюонную плазму.
Интересуетесь новостями из мира науки и высоких технологий и хотите всегда быть в курсе последних открытий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram, чтобы не пропустить ничего интересного!
Самая первая материя во Вселенной
Итак, под кварк-глюонной плазмой исследователи понимают материю, которая существовала в течение первой микросекунды после Большого взрыва. Исследователи отмечают, что плазма, состоящая из кварков и глюонов, была разделена горячим расширением Вселенной, после чего остатки кварка преобразовались в так называемые адроны.
Адрон с тремя кварками образует протон, который является частью атомных ядер. Эти ядра являются строительными блоками, из которых состоит Земля, мы сами и окружающая нас вселенная.
Как выяснили авторы научной работы, кварк-глюонная плазма (QGP) присутствовала в первую 0,000001 секунды Большого взрыва, а затем исчезла из-за расширения Вселенной. Но с помощью БАК в ЦЕРН исследователи смогли воссоздать эту первую материю и проследить, что с ней произошло.
«Коллайдер сталкивает ионы из плазмы с большой скоростью—почти как скорость света. Это позволяет нам увидеть, как QGP эволюционировал из собственной материи в ядра атомов и строительные блоки жизни», – рассказал в интервью Phys.org ведущий автор исследования Ю Чжоу.
Галактика Млечный Путь – одна из сотен миллиардов таких же
В течение долгого времени исследователи думали, что плазма была формой газа, но новый анализ подтвердил – плазма была плавной и имела гладкую мягкую текстуру, как вода. Новые детали также продемонстрировали, показывают, что плазма со временем изменила свою форму, что удивительно и сильно отличается от любой другой известной материи.
«Каждое открытие – это кирпичик, который повышает наши шансы узнать правду о Большом Взрыве. Нам потребовалось около 20 лет, чтобы выяснить, что кварк-глюонная плазма была текучей, прежде чем она превратилась в адроны и строительные блоки жизни. Поэтому наши новые знания о постоянно меняющемся поведении плазмы являются самым настоящим прорывом», – пишут авторы исследования. Полностью ознакомиться с текстом исследования можно здесь.
Источник
Первые секунды Большого взрыва: что мы знаем и чего не знаем
Неправильно рассматриваемый как изначальный взрыв, Большой взрыв представляет собой не отправную точку, а линию горизонта, за которую мы не можем выйти и из которой родились представления о пространстве и времени. Что мы знаем об этой ранней эпохе?
Открытие Хабблом в 1929 году того факта, что Вселенная расширяется, имело ужасные последствия для космологии. В самом деле, если Вселенная расширяется, то когда-то она была гораздо более концентрированной. Вернуть время назад возможно, но до определенного предела. Достижение нулевого времени для нас невозможно (уравнения не позволяют этого). С другой стороны, мы можем приблизиться к этому.
Расширение и первые элементы
13,77 миллиарда лет назад мы знали, что наша вселенная была невероятно горячей (более квадриллиона градусов). Она также была невероятно маленькой. Астрономы подозревают, что когда ей было меньше секунды, космос пережил период невероятно быстрого роста, известного как инфляция. Менее чем за мгновение наша Вселенная расширилась как минимум в 10^52 раза.
Как только эта фаза расширения закончилась, то, что породило эту инфляцию (мы не знаем, что это было), затопило вселенную материей и излучением.
В этот момент Вселенная была слишком горячей и слишком плотной, чтобы что-то стабильное могло образоваться. Космос был не чем иным, как супом из элементарных частиц материи и антивещества, рожденных из чистой энергии, состоящей из кварков и антикварков, электронов и позитронов, нейтрино и антинейтрино, которые аннигилировали друг друга, как только они встретились.
Также в течение этой первой секунды ядерная сила заставила кварки объединиться, чтобы сформировать протоны или нейтроны. Они, в свою очередь, образуют ядра атомов водорода.
После первой секунды Вселенная продолжала расширяться и медленно охлаждаться, в результате чего сильная ядерная сила объединила протоны и нейтроны. Через три минуты первые ядра атомов, немного более сложные, чем ядра атомов водорода, могли увидеть свет.
Нуклеосинтез, естественно, продолжится в течение нескольких минут, а затем придется ждать, пока машины термоядерного синтеза, которые являются первыми звездами, обогатят картину элементов.
Все это известно только посредством расчетов, потому что ни одна из этих изначальных фаз никогда не будет наблюдаема нашими инструментами. Наш мир будет оставаться непрозрачным до тех пор, пока ему не исполнится 380 000 лет, когда «зажгутся» первые звезды.
От Большого взрыва до наших дней.
Темная материя и инфляция
Хотя некоторые детали действительно выведены, есть также многое, что мы не знаем, особенно в период до формирования первых элементов.
Возникает, например, вопрос о темной материи. Мы не знаем, из чего она сделана, но мы знаем, что на нее приходится более 80% материи во Вселенной. Мы также не знаем, когда и как появилась темная материя. Он появился в первые несколько секунд или намного позже? Влияло ли это на примитивную химию, приведшую к образованию первых элементов, или же оно осталось на заднем плане? Мы не знаем.
Инфляция — тоже проблема. Мы не знаем, что послужило топливом для этого невероятного события расширения. Хотя мы знаем, как долго длилась эта фаза, мы не знаем, как и почему она в конце концов закончилась.
Материя / антиматерия
Другая проблема, и не в последнюю очередь, — это асимметрия материи и антивещества. Из экспериментов мы видим, что материя и антивещество совершенно симметричны: каждой частице материи, созданной в результате реакций во Вселенной, соответствует частица антивещества.
Однако мы знаем, что в течение этой знаменитой «первой секунды» материя, из которой мы созданы, преобладала над антивеществом. Следовательно, эти две формы материи вели себя по-разному. В настоящее время причины этого дисбаланса все еще неизвестны.
Если мы не можем напрямую увидеть состояние Вселенной, когда ей было всего несколько секунд, например, мы можем попытаться воссоздать эти условия в наших мощных ускорителях частиц.
Этот хаотический ад, должно быть, вызвал волну ряби в ткани пространства-времени. С помощью технических средств (которых у нас еще нет) мы можем попытаться уловить гравитационные волны от этого знаменитого Большого взрыва.
Источник
Физики считают, что именно это и произошло в первые три минуты существования Вселенной
Около 13,8 миллиарда лет назад произошло нечто загадочное, получившее название «Большой взрыв». Произошло массовое расширение, которое взорвало возможную сингулярность, как воздушный шар, в конечном итоге породив нашу Вселенную. Поскольку каждому семени нужно определенное время, чтобы превратиться в полноценное растение, на создание Вселенной в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, потребовалось чуть больше семи дней. Но именно в первые 3 минуты происходило больше всего главных событий. Итак, вот что, по мнению физиков, произошло в первые 3 минуты после Большого взрыва!
Планковская эпоха
Вскоре после Большого взрыва первым возникшим периодом была эпоха Планка. В этот конкретный период времени температура Вселенной была 10 32 К, настолько высока, что все четыре фундаментальные силы (гравитационная сила, электромагнитная сила, слабая сила и сильная сила) природы существовали вместе как одна суперсила. Эта эпоха длилась 10 -43 секунды. Поскольку в масштабе Планка современные физические теории не могут быть применены для расчета того, что произошло, о физике эпохи Планка известно очень мало.
Эпоха Великого объединения
Эпоха ТВО или «Великой объединенной теории» началась, когда Вселенной было всего 10 -43 секунды, и продолжалась до 10 -36 секунд после Большого взрыва. После эпохи Планка фундаментальная сила гравитации отделилась от трех других фундаментальных сил стандартной модели. Итак, электрослабое взаимодействие, сильное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие были единым целым в эпоху ТВО. Более того, к концу этой эпохи температура упала до 10 29 K с 10 32 K.
Инфляционная и электромагнитная эпоха
Электрослабая эпоха стала третьей по счету после Большого Взрыва. В эту эпоху сильная сила отделилась от двух других сил, таким образом оставив позади слабую и электромагнитную силу как единую силу. Более того, космическая инфляция началась, когда Вселенной было всего 10 -33 секунды. Во время инфляции Вселенная расширялась в геометрической прогрессии и выросла от размера протона до размера, эквивалентного кулаку. Во время инфляции вселенная расширялась со скоростью, превышающей скорость света, однако точная физика этого интенсивно ускорившегося расширения до сих пор не ясна.
Космическая инфляция закончилась очень скоро, и позже Вселенная начала нормально расширяться. Сейчас Вселенной 10 -32 секунды, температура упала до 100 триллионов триллионов кельвинов и, что самое важное, также сформировались W и Z бозоны.
Кварковая эпоха
Электрослабая эпоха закончилась через 10 -12 секунд после Большого взрыва, а затем началась эпоха кварков. К тому времени Вселенная достаточно остыла, чтобы поле Хиггса имело положительное значение. Это привело к тому, что электромагнитная сила и слабая сила отделились друг от друга. Итак, теперь все четыре фундаментальные силы обрели свою индивидуальную идентичность. Все доступные частицы могут взаимодействовать с полем Хиггса и могут набирать массу. Однако температура все еще очень высока для того, чтобы кварки слились и образовали адроны, такие как протоны и нейтроны. В стандартной модели физики кварки являются одним из самых крошечных объектов.
Адронная эра
Адроны — это класс частиц, состоящих из двух или более кварков. Вскоре после того, как эпоха кварков закончилась, эра адронов началась через 1 микросекунду после Большого взрыва. К этому времени температура упала до такой степени, что кварки предыдущей эры могли объединиться в адроны. Хотя небольшая асимметрия вещества и антивещества на более ранних этапах привела к устранению антиадронов, все же большинство пар адрон/антиадрон уничтожили друг друга.
Так что к концу этого периода в основном остались только легкие стабильные адроны: протоны и нейтроны. Эпоха адронов закончилась через 1 секунду после Большого взрыва.
Лептонная эпоха
Когда Вселенная постарела на одну секунду, ее температура стала достаточно благоприятной для образования другого класса элементарных частиц — лептонов. Лептоны — это своего рода элементарные частицы в природе, и поэтому они больше не состоят из каких-либо составляющих частиц, таких как адроны. Электрон — классический пример лептона. Таким образом, к этому времени начали формироваться лептоны и антилептоны, и это производство продолжалось 10 секунд. Лептоны и антилептоны оставались в тепловом равновесии, поскольку энергия фотонов все еще была достаточно высокой для образования электрон-позитронных пар. Однако Вселенная все еще оставалась непрозрачной, поскольку эти свободные электроны могли легко рассеивать фотоны.
Начало нуклеосинтеза
К настоящему времени Вселенная содержит протоны, нейтроны, электроны и фотоны. Фотоны превосходили массивные частицы в миллиарды раз. Все четыре основные силы приобрели свою современную форму. Теперь настало время для начала самого важного процесса нуклеосинтеза.
Проще говоря, нуклеосинтез — это процесс, в котором новые атомные ядра образуются из ранее существовавших нуклонов и меньших ядер. Это процесс, посредством которого образуется большинство более тяжелых элементов в нашей Вселенной.
Так что теперь, в возрасте 2 минут, температура Вселенной упала ниже 1,2 миллиарда градусов Кельвина. При этой температуре средняя энергия фотона составляла 1,8 х 10 -14 Дж, что было эквивалентно энергии связи ядер дейтерия. Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона, удерживаемых вместе сильным ядерным взаимодействием. Итак, через две минуты после Большого взрыва дейтерий образовался в результате слияния протонов и нейтронов. Это произошло впервые после Большого Взрыва, когда Вселенная содержала ядра более сложные, чем один протон.
Наконец, через 3 минуты после Большого взрыва температура Вселенной упала ниже 1 миллиарда градусов Кельвина. При этой температуре средняя энергия фотонов составляла 1,5 х 10 -14 джоулей, что эквивалентно энергии связи ядер гелия. Итак, в возрасте 3 минут дейтерий, протоны и нейтроны объединились с помощью различных возможных процессов, чтобы сформировать ядра гелия.
В двух словах, в первые три минуты после Большого Взрыва протоны и нейтроны начали сливаться вместе, образуя дейтерий, а атомы дейтерия затем соединились друг с другом, образуя гелий-4. За этими тремя минутами последовал ряд различных эпох и разносторонних процессов нуклеосинтеза, которые сформировали вселенную, в которой мы живем сегодня. Но первые три минуты сформировали период, который дал нам самые фундаментальные элементы нашего существования, т.е. водород и гелий, и подготовить почву для продвинутых процессов. Это, несомненно, делает первые три минуты после большого взрыва самыми важными минутами в истории эволюции нашей Вселенной.
Источник