Ученые воссоздали состояние Вселенной через секунду после Большого Взрыва
Одной из величайших загадок в физике остается вопрос, почему наша Вселенная содержит больше материи, чем антиматерии, которая эквивалентна материи, но обладает противоположным зарядом. Чтобы найти ответ на этот вопрос, международная команда ученых решила создать плазму из равного количества материи и антиматерии — в таких условиях, как мы полагаем, пребывала ранняя Вселенная.
Материя, насколько мы знаем, бывает в четырех разных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазмой, которая представляет собой горячий газ, атомы которого лишены электронов.
Тем не менее есть также пятое экзотическое состояние: плазма материи-антиматерии, в которой наблюдается полная симметрия между отрицательными частицами (электронами) и положительными частицами (позитронами).
Это особое состояние вещества, как полагают, присутствует в атмосфере экстремальных астрофизических объектов вроде черных дыр и пульсаров. Считается также, что она была фундаментальной составляющей Вселенной в ее зачаточном состоянии, во время лептонной эры, которая началась примерно через секунду после Большого Взрыва.
Доля секунды
Одна из проблем одновременного создания частиц материи и антиматерии заключается в том, что они терпеть не могут друг друга — исчезают во вспышке света при встрече. Но поскольку это происходит не сразу, остается возможность изучить поведение плазмы в ту долю секунды, пока она еще жива.
Понимание того, как материя ведет себя в своем экзотическом состоянии, имеет решающее значение, если мы хотим понять, как развивалась наша Вселенная и, в частности, почему Вселенная, какой мы ее знаем, состоит преимущественно из материи. Этот момент вызывает недоумение, поскольку теория релятивистской квантовой механики предполагает, что у нас должно быть равное количество материи и антиматерии. Но поскольку мы наблюдаем себя и звезды, где-то случился перекос. Ни одна из современных моделей физики не объясняет расхождение.
Несмотря на фундаментальную важность для нашего понимания Вселенной, электро-позитронная плазма никогда не производилась до этого момента в лаборатории, даже в гигантских ускорителях частиц вроде БАК. Международная группа ученых из Великобритании, Германии, Португалии и Италии наконец решила разбить этот орех.
Вторгаясь в крошечное
Вместо того чтобы обратиться к огромным ускорителям частиц, ученые взяли ультраинтенсивные лазеры, доступные на Центральной лазерной установке в Лаборатории Резерфорда-Эплтона в Оксфордшире, Великобритания.
Используя камеру сверхвысокого вакуума с давлением воздуха, соответствующим одной сотой миллионной доли нашей атмосферы, ученые направили сверхкороткий интенсивный лазерный импульс (в миллиарды и миллиарды раз интенсивнее солнечного света на поверхности Земли) в газ азот. Импульс «срезал» электроны частиц газа и ускорил их до близкой к световой скорости.
Затем пучок столкнулся с блоком свинца, который снова их замедлил. В процессе замедления они испустили частицы света, фотоны, которые образовали пары электронов и их античастиц, позитронов, в процессе столкновения с ядрами в образце свинца. Цепная реакция этого процесса привела к появлению плазмы.
На словах просто, на деле сложнее. Лазерный луч нужно было контролировать и направлять с точностью до микрометра, а детекторы должны были быть тщательно откалиброваны и экранированы — в этом безусловная заслуга ученых.
Эксперимент открывает перед учеными захватывающую ветвь физики. Помимо исследования важной темы асимметрии материи-антиматерии, наблюдая за тем, как плазма взаимодействует с ультрамощным лазером, мы также можем изучить, как эта плазма распространяется в вакууме и в разреженной среде.
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
Размер вселенной через 1 секунду после большого взрыва
О том, как устроена Вселенная, мы можем судить благодаря созданным человеком приборам, позволяющим заглянуть на невообразимо далёкие расстояния, которые трудно представить. Если сравнить их с принятой в астрономии единицей длины – световым годом (1 световой год = 9.5 . 10 12 км или
0.3 парсека (1 парсек
3.1 . 10 13 км)), то расстояния до видимых приборами источников можно оценить в 5000 миллионов парсек или 15 миллиардов световых лет! Наблюдаемая сегодня Вселенная — огромные объединения звёзд – галактики, мелкими вкраплениями заполняющие, на первый взгляд, пустое пространство. Но, на самом деле, всё пространство Вселенной заполнено тем, что мы называем веществом и излучением.
Вначале о веществе. Вещество состоит из атомных ядер – нуклидов. В ядре находятся протоны и нейтроны. Их называют нуклонами. Число протонов определяет заряд ядра (Z), а общее число протонов и нейтронов (N) – массовое число, или массу ядра (А), т.е Z + N = A Фактически эти два параметра ядра – Z и A — определяют характеристики нуклида и самого вещества.
Так, например, водород, наиболее распространённый и лёгкий элемент во Вселенной, имеет Z = 1 (его обозначение 1 Н), а среди наиболее тяжёлых и редких – уран имеет Z = 92 ( 92 U). Одной из задач астрофизики как раз и является выяснение происхождения и распространённости отдельных нуклидов во Вселенной, а их примерно 300.
История Вселенной насчитывает более чем 10 миллиардов лет. Как она возникла?
1.1. Убегающие галактики
| “Космос проходит бесконечные циклы Больших взрывов и расширений. Возможно, Большой взрыв – не начало времени, а лишь начало последнего цикла из бесконечной серии нагреваний, расширения, застоев, опустошения и вновь расширения”. |
“История космологии – это история наших заблуждений…
Мы находимся на маленькой планете во Вселенной,
не можем никуда выйти и поставить эксперимент.
Всё, что мы можем сделать, это взять немного света,
который достиг нас и понять, что из себя представляет Вселенная”.
Великим физикам прошлого И. Ньютону и А. Эйнштейну. Вселенная представлялась статичной. “Опасаясь” неминуемого её гравитационного схлопывания, И. Ньютон предположил, что галактик бесконечно много. А. Эйнштейн в своей теории относительности искусственно ввел “космологический член”, обеспечивающий силы отталкивания небесных тел c большими массами. Это было в 1917 г. Но в том же переломном 1917 американец В. Слайфер опубликовал работу о разбегании космических туманностей и вслед за ним советский физик А. Фридман в 1924 г. выступил с теорией “разбегающихся” галактик – расширяющейся Вселенной. Это было революционным переворотом в физическом представлении о нашем мире.
Прошло еще несколько лет, и американец Э. Хаббл открыл в 1929 г. эффект разбегания галактик. Гипотеза А. Фридмана получила экспериментальное подтверждение по наблюдениям красного смещения скорости движения галактик. Оказалось, что скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них. Из экспериментального факта разбегания галактик был оценён возраст Вселенной. Он оказался равным не много не мало – около 15 миллиардов лет! Так началась эпоха современной космологии.
Естественно возникает вопрос: а что было в начале? Всего около 20 лет понадобилось ученым, чтобы вновь полностью перевернуть представления о Вселенной.
Ответ предложил наш соотечественник – выдающийся физик Г. Гамов в 40-ые годы. История нашего мира началась с Большого взрыва (рис.1.1). Именно так думает большинство астрофизиков и cегодня. 10 5 г/cм 3 и температуру 10 10 К. Современная температура ближайшей к нам звезды – Солнца в тысячу раз меньше.
Именно эта группа частиц из 12 фермионов, взаимодействующих друг с другом посредством 4-х бозонов, по сути и есть зародыш Вселенной. Но это ещё неполная картина. Среди кварков и лептонов были их антиподы – античастицы, отличавшиеся от обычных частиц знаком некоторых характеристик взаимодействия. В простейшем случае – это электрический заряд (см. рис. 1.2). Например, один из лептонов – электрон (е — ) может быть как отрицательно заряженным, так и положительно (в этом случае его называют позитроном (е + )). Античастицы существуют почти у всех частиц, за исключением фотона и некоторых других. Для них античастицами являются они сами. Сверхвысокие начальные температуры Вселенной приводили к столкновениям частиц и их взаимному превращению. Так, из пары фотонов могли образоваться электрон и позитрон, а столкновение последних (процесс взаимодействия частицы и античастицы называется аннигиляцией) привести к рождению вновь пары фотонов: (2γ) → (е + ,е − ) Было возможным и появление новых частиц – нейтрино ( (е + ,е − ) → (ν, А взаимодействие нейтрино со своей античастицей приводило вновь к появлению электрона и позитрона. 1.2. Сотворение вещества
Яков Зельдович |
Рис. 1.2. Частицы (протон и электрон) и их антиподы – антипротон и позитрон. Если электрон и позитрон отличаются друг от друга только электрическим зарядом, то протон и антипротон – разной внутренней структурой – кварками и антикварками. Спин (физическая величина, описывающая вращательное движение) у этих частиц и античастиц – одинаковые
) и антинейтрино (
):Радиационная эра в развитии Вселенной – чрезвычайно важный период. Именно в это время начали возникать тяжёлые ядра – основа химических элементов, заполняющих периодическую таблицу Д. Менделеева. Этот процесс носит название нуклеосинтеза.
Протон, самое лёгкое ядро, возникло через десятки секунд после рождения Вселенной. В это время температура и плотность Вселенной была достаточно высокой для осуществления синтеза дейтерия – ядра, состоящего из двух нуклонов, образовавшегося при соударении протона и нейтрона. Эта реакция синтеза сопровождалась генерацией фотонов и выделением энергии:
p + n → 2 H + γ + Q.
Здесь Q = 2.2 МэВ (МэВ – мегаэлектронвольт =10 6 эВ – единица измерения энергии) — энергия, выделяемая в этой реакции синтеза. Затем в течение очень короткого промежутка времени (около 10-15 минут) произошла цепочка реакций превращения дейтерия 2 H в тритий ( 3 H — ядро из трёх нуклонов) и, наконец, дейтерий и тритий образовали гелий 3 He — второй по своей значимости элемент во Вселенной. Расчёты показывают, что в этот момент его образовалось на уровне 24 процентов от всех нуклонов Вселенной. Именно такое содержание гелия мы наблюдаем и в наши дни, в условиях современной Вселенной. Заметим, что вся эта цепочка реакций синтеза происходит с большим выделением энергии. При попытках человека на Земле создать мощнейшие генераторы энергии – термоядерные реакторы и водородные бомбы именно эти реакции были взяты за основу.
Но вернёмся к модели расширяющейся Вселенной. Когда возникли звёзды? Предполагается, что процесс звёздообразования начался 1 миллиард лет назад в результате образования неоднородностей в распределении вещества во Вселенной и гравитационного взаимодействия между отдельными его сгустками.
Последние исследования на космических телескопах действительно обнаруживают в далёких областях Вселенной повышенные концентрации вещества – их называют “газовыми” или “молекулярными облаками”. Именно здесь наблюдается повышенное количество звёзд. Безусловно, процесс образования звёзд (по человеческим меркам) – очень медленный — сотни тысяч и миллионы лет.
Модели формирования звёзд сводятся к первичному формированию так называемой “протозвезды” — сильно разогретому (до 10 6 К) сгустку веществ, состоящего из атомов, лишённых своих электронных оболочек – ионов, и свободных электронов. Вещество протозвезды сжимается – коллапсирует, температура её повышается вследствие осаждения вещества из окружающего пространства — аккреции, и внутри неё начинают происходить реакции термоядерного синтеза.
Эти реакции развиваются при достижении массы протозвезды в 10 раз меньше массы Солнца. Этот период жизни звезды характеризуется “выгоранием” в термоядерном котле лёгких элементов и образованием тяжёлых. В этом плане процесс формирования звезд – важный этап процесса образования — синтеза элементов во Вселенной.
При температуре протозвезды – 10 6 К происходят реакции горения дейтерия – 2 H + 2 H с образованием трития 3 H. Образование дейтерия приводит к увеличению размера протозвезды. Температура её начинает расти из-за гравитационного сжатия, и возникают условия для последовательного сгорания вещества, начиная с водорода и кончая кремнием и железом. Водород в этой топке горит дольше всех других элементов. Звезда расходует на эту фазу энергию, но она не тускнеет, а сжимается, т.к. энергии горения не хватает на преодоление гравитационного сжатия.
Затем во внешней оболочке звезды гелий переходит в углерод, кислород и азот. Этот период времени занимает несколько миллионов лет, уменьшаясь по мере смещения процесса термоядерного синтеза к более тяжёлым элементам. Менее 1% общей массы звезды превращается в энергию.
Число фаз горения зависит от первоначальной массы звезды. Если она больше 8 масс Солнца, то произойдут все фазы горения вплоть до железа. Синтез новых элементов в термоядерном котле заканчивается на железе – оно не вступает в дальнейшие превращения.
Последовательная цепочка ядерных превращений в чреве звезды сопровождается увеличением её температуры. Масса звезды растёт – возникают так называемые массивные звёзды – красные гиганты. Такое название они приобретают из-за преобладания красного цвета в их спектрах излучения. Размеры красного гиганта в сотни раз превышают размеры протозвезды. Красные гиганты – неустойчивые системы: они извергают во внешнее пространство своё вещество – теряют свою внешнюю оболочку (рис. 1.3).
Рис.1.3. Превращение красного гиганта в нейтронную звезду
Рис. 1.4. Многослойная структура “горящей” звезды – красного гиганта и превращение её в нейтронную. Горение начинается с лёгких элементов и заканчивается на кремнии, сере и железе. Формируется “железная” звезда, которая взрывается вследствие гравитационного коллапса. Это – момент вспышки сверхновой. Более 90% первоначальной массы звезды уносится в пространство. От первоначального красного гиганта остаётся нейтронная звезда.
— уравновешивающую силы притяжения небесных тел. Но вслед за открытием “красного смещения” он вычеркнул константу 