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
Что происходило сразу после Большого взрыва?
Часто говорят, что в первые моменты своего существования Вселенная находилась в горячем и плотном состоянии. Хотя это достаточно точное описание, оно также и довольно расплывчато. Что именно было горячим и плотным и в каком состоянии? Ответ на этот вопрос требует как сложного теоретического моделирования, так и экспериментов с высокими энергиями в физике элементарных частиц. Но, как показывает недавнее исследование, мы многому учимся.
Согласно физике элементарных частиц и стандартной космологической модели, материя появилась в пределах первой микросекунды жизни Вселенной. Считается, что это начальное вещество представляет собой плотный суп из кварков, взаимодействующих между собой в море глюонов. Это состояние вещества известно как кварк-глюонная плазма (КГП). Поведение КГП регулируется сильной силой в соответствии с законами квантовой хромодинамики (КХД). Хотя мы относительно хорошо понимаем КХД, математика теории настолько сложна, что её очень трудно рассчитывать. Даже с помощью суперкомпьютеров трудно вычислить состояние плотных кварк-глюонных взаимодействий.
Альтернативой является использование Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе. Столкните частицы почти со скоростью света, и вы сможете на короткое время создать кварк-глюонный суп. Сотрудничество ALICE изучило эти типы столкновений, чтобы понять не только состояние КГП, но и то, как плазма превращается в адроны. Два наиболее распространённых типа адронов – это протоны и нейтроны, которые составляют ядра атомов.
Одно из удивительных открытий данного исследования состоит в том, что кварк-глюонная плазма не ведёт себя как плотный газ, или как другая плазма. Вместо этого КГП больше похожа на плотную жидкость, например, воду. В результате её общая плотность более однородна. Это тонкое различие, но оно может содержать ключи к пониманию критического сдвига, который, вероятно, произошёл в ранней Вселенной.
Иллюстрация, показывающая эволюцию Вселенной, начиная от Большого Взрыва слева, и до появления космического микроволнового фона. После образования первых звёзд заканчиваются космические тёмные века, за которыми следует образование галактик. Авторы и права: CfA / M. Weiss.
В стандартной космологической модели ранняя Вселенная претерпела резкое изменение фазы, чтобы превратиться во Вселенную, которую мы видим сегодня. До периода КГП у Вселенной был период экспоненциального расширения. Почти мгновенно наблюдаемая Вселенная расширилась в 10 26 раз и остыла в 100 000 раз. Это расширение и переохлаждение открыли период КГП, поэтому понимание его поведения поможет учёным изучить этот переходный период.
Ещё многое предстоит узнать о ранней Вселенной. Подобные исследования, проведённые в сотрудничестве с ALICE, очень важны для нашего понимания. Они раздвигают границы физики высоких энергий и продолжают опровергать наши ожидания.
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
Детство Вселенной. Что было после Большого взрыва и как это увидеть в телескоп
Сотни радиоантенн пытаются уловить излучение, которое заполняло космос во времена рождения первых звёзд и галактик.
Кстати говоря, то, что произошло 14 миллиардов лет назад, взрывом можно назвать с большой натяжкой, хотя бы потому, что взрывов в абсолютном вакууме не бывает. В любом случае физики убеждены, что это произошло. Невообразимо плотная материя, заключённая в невероятно малом пространстве, в конце концов не смогла больше держаться. Почему и как — это уже другое дело.
Что же было? Фантастическая, не поддающаяся описанию вспышка. Во все стороны полетело то, что учёные пытаются понять, но не могут. Свет. Фотоны, те самые, которые являются одновременно и частицами, и волнами. А ещё кварки, лептоны, бозоны, ради которых теперь коллайдеры строят, лишь бы добиться наконец хоть какого-то удобоваримого представления о том, что же это всё-таки за штуки такие и как они устроены.
В самые-самые первые мгновения был сплошной хаос — всюду возникают античастицы, тут же сталкиваются с частицами и взаимно аннигилируют, что в переводе означает «бдыщ». Уничтожаются. Вместе. Но! Поскольку у нас на десять девчонок по статистике девять ребят, какая-нибудь частичка обязательно останется неприкаянной. В данном случае это хорошо — она хоть жива. Со временем таких «безмужних», но целых и невредимых накапливается больше и больше. Из них-то и возникло всё на сей момент сущее. А если бы все-все нашли свой антипод, то, собственно, ничего бы сейчас не было. Ни галактик, ни нас с вами. То есть, если вам вдруг встретится плавящее мозг словосочетание «асимметрия вещества и антивещества», — это вот об этом.
Уже через какую-то миллионную долю секунды стало не так жарко, и уцелевшие частицы смогли вступать друг с другом уже в нормальный контакт, не смертоносный. Кварк плюс кварк равно любовь. Простите, равно адрон. То есть получились уже частицы потяжелее. Адрон, между прочим, от древнегреческого слова «хадрос» — «толстый».
Потом эти «толстяки» тоже решили объединиться с себе подобными, так стали возникать протоны, нейтроны, то есть уже что-то нам с вами более-менее знакомое. И, наконец, протоны по той же схеме стали «жениться» на других протонах, иногда усыновляли нейтроны и создавали семьи под названием — да, атомы.
Какой же химический элемент возник первым во Вселенной? Логика подсказывает, что самый что ни на есть простой. Смотрим на таблицу Менделеева, и первое, что видим, — водород. Один протон, один электрон. Ничего проще тут нет. И это — правильный ответ!
Вот. Добрались. На это у нас потребовалось 380 тысяч лет. Если задуматься, что такое вся история человечества по сравнению с этим?
Так вот. Водородом стало 90 процентов всего и вся. Остальное — его более тяжёлые версии, например дейтерий (собственно, тот же водород, который приютил нейтрон, вот и вся разница), плюс самая малость гелия (два протона, два нейтрона, два электрона), лития (уже более многочисленное семейство: три, четыре, три). Поскольку водород в своём обычном состоянии как-то не очень взаимодействует с фотонами, стало резко темно. На сотни миллионов лет. Эту эру учёные так и назвали — «тёмные века».
Позже из атомов стали слепляться первые звёзды, и уже внутри них начали создаваться всевозможные хитрые комбинации протонов, нейтронов и электронов. И излучение от этих новорождённых звёзд было таким мощным, что оно попросту «сдувало шляпы» у атомов близлежащего водорода — вышибало из них электроны. А если у атома отобрать электрон, получится ион. Положительно заряженный. Потому как электрон у нас со знаком минус. Минус убрали, и весь баланс уже нарушился. Остался один плюсовой протон.
И вот выбитые таким образом электроны куда-то уносит, а по дороге они врезаются в нормальные, полноценные атомы и присоединяются к ним. Это получаются уже, стало быть, отрицательные ионы.
Такое дело называется повторной ионизацией, или реионизацией. И этот вот процесс в юной Вселенной очень сильно интересует астрофизиков, поскольку именно в это самое время она начала становиться такой, какой мы её видим сейчас. В эпоху реионизации. Это тот самый край, до которого учёные хотят дотянуться. И даже знают как. Дело в том, что во время всех этих передвижений и переездов из одного атома в другой электроны сначала поглощают, а потом, наоборот, отдают энергию. В виде фотонов. Электрон ушёл — съел фотон. Заселился в другой дом — фотон отдал, кушайте на здоровье. И вот когда отдал, его стало видно. То есть такие ионы уже засветились. Это был рассвет во Вселенной.
И представьте себе, свет этот имел совершенно определённую длину волны, довольно-таки внушительную — 21 сантиметр. Вот он — тот самый маркер, который астрономы хотят засечь. В телескоп. То есть, как увидят в бескрайних глубинах космоса свет от ионизированного водорода — всё! Считай, увидели детскую фотографию Вселенной.
Взгляд в прошлое
Чтобы добраться до такого, я извиняюсь, пожелтевшего снимка, а лучше сказать — отправиться в путешествие в прошлое на 14 миллиардов лет назад, уже имеется соответствующая машина времени: телескоп HERA — Hydrogen Epoch of Reionization Array. В переводе — «Эпоха реионизации водорода», а Array — это «решётка», или «матрица», потому что это действительно такая 300-метровая решётка в виде шестиугольника, на которой установлены 14-метровые тарелки. В количестве трёх сотен. Даже больше. Так надо, чтобы чувствительность была как можно больше, а значит, данные — как можно точнее. Стоит эта матрица в Южной Африке.
Радиотелескоп HERA в Южной Африке в 2016 году. Фото © HERA
Источник