Горячая модель Большого Взрыва Вселенная однородна и изотропна на больших масштабах (космологический принцип); Вселенная заполнена излучением, оставшимся от эпохи, когда она была «горячей»; Образование элементов во Вселенной происходило в соответствии с теорией первичного нуклеосинтеза.

1. Рождение Вселенной

Эволюция масштабного фактора со временем. Волнистой линией показана область квантовой эволюции Вселенной, сплошной линией – область квазиклассической эволюции и выход на инфляционную стадию

2. Расширяющаяся Вселенная

В космологии различают три основных уравнения состояния. Пылеподобное: p = 0, a(t) ~ t 2/3 (современная Вселенная) Радиационно-доминированное: p = ρc 2 /3, a(t) ~ t 1/2 (эпоха нуклеосинтеза) Уравнение состояния фальшивого вакуума: p = -ρc 2 /3, a(t) = a 1 e H(t-t) + a 2 e -H(t-t) (стадия инфляции)

Вакуумные квантовые флуктуации, которые обычно проявляются только в микроскопических масштабах, в экспоненциально расширяющейся Вселенной быстро увеличивают свою длину и амплитуду и становятся космологически значимыми. Таким образом, возникшие впоследствии скопления галактик и сами галактики являются макроскопическими проявлениями квантовых флуктуаций на ранних этапах развития Вселенной.

3. Стадия бариосинтеза

Уравнение состояния вещества с отрицательным давлением неустойчиво: оно должно смениться обычным (положительным или равным нулю) давлением. Поэтому инфляционная фаза развития Вселенной довольно быстро кончается. С окончанием этого этапа рождается обычная материя.

Соотношение вещества и антивещества: [n p –n p ~ ]/n γ 10 -9

Схематичное изображение распада протона р. Сплошными тонкими линиями показаны реальные частицы – кварки d, u, u ~ (протон является составной частицей, в которую входят кварки и глюоны), позитрон е + и π 0 -мезон. Жирная волнистая линия представляет виртуальный Х-лептокварк

Когда температура Вселенной понижается до – К, в горячей плазме,наполняющей Вселенную, происходит электрослабый фазовый переход: слабые и электромагнитные взаимодействия, бывшие до этого момента едиными, расщепляются на обычные электромагнитные и слабые взаимодействия с участием нейтрино.

4. Нуклеосинтез

Примерно при температуре T K происходит конфайнмент (невылетание) кварков. «Кварковый суп» превращается в протоны и нейтроны, которые затем, в процессе первичного нуклеосинтеза, соединяются в первичные легкие ядра.

После эпохи образования протонов и нейтронов нуклеосинтез является наиболее замечательной эпохой. Он начинается через 1 секунду после Большого Взрыва и продолжается вплоть до ~100 секунд. В этот период синтезируются легкие ядра: 4 He (25%), дейтерий 2 H (3·10 -5 %), 3 He (2·10 -5 %), 7 Li(10 -9 %), т.е. начинает рождаться привычное нам вещество.

Основные эпохи эволюции ранней Вселенной Название эпохи и соответствующие ей физические процессы Время от Большого Взрыва, секунды Температура, K Рождение классического пространства-времени Стадия инфляции ~ Меняется в очень широких пределах Рождение вещества ~ Рождение барионного избытка ~ Электрослабый фазовый переход ~ Конфайнмент кварков10 -4 ~ Первичный нуклеосинтез ~

5. Эпоха доминирования скрытой массы

Эпоха доминирования (преобладания) скрытой массы в зависимости от типа носителя скрытой материи наступает примерно при температуре Т 10 5 К. Начиная с этой эпохи растут малые возмущения плотности вещества, которые к нашему времени увеличиваются настолько, что появляются галактики, звезды и планеты.

5. Эпоха рекомбинации водорода

В процессе рекомбинации водорода протоны и электроны объединяются, и образуется водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Эпоха рекомбинации совпадает с эпохой «просветления» Вселенной: плазма исчезает и вещество становится прозрачным. Температура этой эпохи известна очень хорошо из лабораторной физики: Т 4500 – 3000 К.

После рекомбинации фотоны доходят до наблюдателя, практически не взаимодействуя с веществом по дороге, составляя реликтовое излучение, энергетический спектр которого в настоящее время соответствует спектру абсолютно черного тела, нагретого до температуры 2,75 К. Разница в температурах ~3000 K и ~3 K обусловлена тем, что с эпохи просветления Вселенной ее размеры увеличились примерно в 1000 раз.

Неоднородности реликто- вого фона – самые старые объекты, доступные наб- людениям. Они отражают флуктуации температуры горячей плазмы, которая заполняла Вселенную, прежде чем в результате расширения вещество ох- ладилось, и образовались привычные нам галактики и звезды. Это изображение получено на группе микроволновых телескопов в Тенерифе, Испания, названной Очень маленьким массивом (Very Small Array).

Микроволновой фон за вычетом фона галактических источников и допплер-эффекта от движения Солнечной системы в пространстве.

Анизотропия микроволнового фона во Вселенной: 380 тысяч лет спустя после Большого Взрыва. Это изображение с высоким разрешением получено орбитальной космической станцией (WMAP) им. Вилкинсона (Wilkinson).

Проект BOOMERANG

Изображение на предыдущем слайде было получено с помощью микроволнового телескопа, запущенного на воздушном шаре над Антарктикой в 1998 году в рамках проекта BOOMERANG. Полученные результаты позволили космологам сделать много интересных выводов, в частности, о том, что кривизна нашей Вселенной с хорошей точностью равна нулю, а также подтвердить модель инфляционной Вселенной.

Угловой спектр флуктуаций ре- ликтового излучения по дан- ным экспериментов MAXIMA и BOOMERANG. Сплошная кри- вая – теоретическое предска- зание флуктуаций температу- ры реликтового излучения, полученная из анализа прост- ранственного распределения вещества. Обращает на себя внимание факт наличия второго и третьего пиков в спектре, однозначно подтверждающих представления об изначальной фазовой скоррелированности флуктуаций. Это могло быть, только если в очень ранней Вселенной существовала эпоха очень быстрого (квази-экспо- ненциального) расширения (модель инфляционной Вселенной).

Движение плазмы к моменту рекомбинации не может быть произвольным: движения плазмы в масштабах, соответствующих массам меньше ÷ М, затухают. В зависимости от закона спадания возмущений средняя масса образующихся облаков газа и скоплений в большей или меньшей степени превосходит эту величину.

5. Образование крупномасштабной структуры Вселенной

Образование сверхскоплений галактик условно приходится на красное смещение z 10, когда температура реликтовых фотонов падает до 30 К.

В нейтральной среде с малыми начальными возмущ е ниями плотности возникают плотные уплощенные облака газа. Влияние приливных сил приводит к одномерному сжатию в «блин» вместо симметричного комка. Для основной массы вещества адиабатическое сжатие сменяется ударной волной, бегущей по падающему веществу. В результате возникает очень своеобразное распределение вещесва в формирующемся диске – «блине», с острым максимумом плотности в окрестности центра и быстрым убыванием на периферии.

«Блин», в первую очередь вследствие развития гравитационной неустойчивости, распадается на отдельные облака. В свою очередь, те тоже могут распадаться на двойные, реже - кратные системы галактик; при этом практически весь момент переходит в орбитальный. Часть газа, сжатого ударной волной, остывает и превращается в галактики, часть остается горячей и входит в состав межгалактической среды.

Дальнейшая эволюция сжатого вещества в галактики и звезды определяется всей совокупностью процессов, протекающих в веществе, и физическими условиями в нем. Важную роль играет возникающее в сжатом веществе вихревое движение.

Кадр из фильма IMAX, изобража- ющий раннюю Вселенную. Это результат численного мо- делирования эволюции мил- лионов частиц. Вещество соби- рается в конгло- мераты, образуя галактики и длинные волокна.

Еще один результат численного моделирования. Так, по мнению С.Паскарела (Аризонский университет), выглядела Вселенная в возрасте 2 миллиарда лет. Эти сгустки, состоящие из газа, сливались, формируя галактики, которые мы видим сейчас.

Изображение галактики #1916 из скопления Abell 1835, полученное на одном из 8.2-метровых телескопов VLT в Чили (ESO). Спектр объекта #1916 содержит только одну сильную линию с наблюдаемой длиной волны микрон, которая, вероят- нее всего, соответствует линии Lα. Сопоставление наблюдаемой и лабораторной длины волны линии ( A) дает величину красного смещения z=10.0. Более точное моделирование спектра этой далекой галактики в предположении о пониженном содержании тяжелых элементов (примерно 1/50 от Солнечного) говорит, что эта галактика лежит между 9

Составное изображение скопления галактик RDCS по наблюдениям Chandra, HST и VLT. Скопление находится на расстоянии около 9 мил- лиардов световых лет и, следовательно, уже су- ществовало, когда воз- раст Вселенной был ме- нее 5 миллиардов лет. Для массы этого скоп- ления получена оценка более 2·10 14 М, что де- лает его самым массив- ным из всех обнаружен- ных в такой молодой Вселенной объектов.

Cмоделированная компьютером часть ранней Вселенной, содержащая цепочку (волокно) галактик. Сторона наложенного куба имеет длину около 300 миллионов световых лет.

Сталкивающиеся галактики в скоплении MS , расположенном на расстоянии 8 миллиардов световых лет.

В промежутке от z 10 до z 0 лежит эпоха нелинейной стадии эволюции внегалактических объектов, то есть эпоха обычных галактик, квазаров, скоплений и сверхскоплений галактик.

Крупномасштабная струтура современ- ной Вселенной по результатам ком- пьютерного модели- рования. Карта покрывает об- ласть, составляю- щую миллиард световых лет в попе- речнике. Волокна на карте содержат в себе тысячи галак- тик, тогда как тем- ные области, назы- ваемые пустотами, или войдами, лишены их.

Размеры войдов составляют порядка Мпк. Большие войды занима- ют около 50 процентов объема Вселенной. Справа - построенная ме- тодом многих тел (N-body) компьютерная модель войда на z = 0, т.е. "сей- час". Использовалась стан- дартная на сегодняшний день модель с Л-членом и холодной темной материей. Целью расчета является именно распределение темной материи. Оказывается, что войд похож на "Вселенную в миниатюре". Там тем- ная материя распределена опять-таки в виде структуры с волокнами и войдами! Разница только в том, что все мас- сы (массы гало темной материи) на четыре порядка меньше. Собственно, поэ- тому-то мы и не видим там галактик.

Распределение по небу галактик со скоростями от 2000 до 5000 км/с. Стрелкой отмечена блиноподобная структура в созвездиях Гидры-Центавра- Телескопа-Павлина-Индейца. Наша Галактика и Местное сверхскопление лежат на периферии этой стены, практически в ее плоскости, поэтому она видна как узкая полоска галактик на небе, протянувшихся на 180°.

Еще в начале семидесятых астрономам стало ясно, что скопления галактик погружены в разреженные облака горя- чего газа, которые ярко светят в рентгеновском диапазоне. На этом снимке с космической рентгеновской обсерватории Chandra виден хорошо выра- женный "охлаждающийся по- ток« в центральной части скоп- ления Abell 1795.

Это изображение получе- но в результате компью- терного моделирования ожидаемого распределе- ния горячего газа в слое Вселенной, имеющем в поперечнике 2.7 милли- ардов световых лет и тол- щину 0.3 миллиарда све- товых лет. Наблюдения рентгенов- ской обсерватории Chandra подтвердили су- ществование массивных и горячих волокон в меж- галактической среде в результате обнаружения небольшого уменьшения интенсивности рентгенов- ского излучения далеких квазаров.

Скопление галактик в созвездии Волосы Вероники (или скопле- ние Кома) - одно из самых плот- ных скоплений. Большинство галактик, входящих в его состав, эллиптические.

Hubble Ultra Deep Field. Cамое глубокое проникновение во Вселенную в видимом свете.

Литература: М.В.Сажин. Космология ранней Вселенной (Соросовская энциклопедия) С.А.Павлюченко. Определение космологических параметров. К.А.Постнов. Отголоски шума ранней Вселенной в пространственном распределении галактик. Происхождение и эволюция галактик и звезд. Под ред. С.Б.Пикельнера. М., Наука, 1976.