Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда - [3]
Есть надежные теоретические указания, что на самом раннем этапе развития Вселенной – возможно, во время одного из разделений основных сил – имел место эпизод, благодаря которому Вселенная стала немного асимметричной: частиц вещества оказалось чуть больше количества частиц антивещества – миллиард одна на миллиард. Такой крошечный перевес едва ли удалось бы заметить в гуще продолжавшегося создания, аннигиляции и воссоздания кварков и антикварков, электронов и антиэлектронов (известных как позитроны), а также нейтрино и антинейтрино. У всякой шальной частицы было полно возможностей найти кого-нибудь, с кем аннигилировать, и это в целом у всех получалось.
Но вскоре все изменилось. Космос продолжал расширяться и остывать, стал уже больше нынешней Солнечной системы, и температура стремительно упала ниже триллиона градусов.
Температуры и плотности остывшей Вселенной было уже недостаточно, чтобы выпекать кварки, поэтому все они расхватали партнеров по танцам, создав крепкую новую семью тяжелых частиц под названием адроны (от древнегреческого «хадрос» – «густой», «толстый»). Переход от кварков к адронам вскоре привел к появлению протонов и нейтронов, а также других, не таких знаменитых тяжелых частиц, которые состоят из всевозможных сочетаний кварков разных видов. В Швейцарии (вернемся на Землю) коллаборация физиков-ядерщиков (Европейский центр ядерных исследований, больше известный под аббревиатурой ЦЕРН) построила большой ускоритель, чтобы сталкивать потоки адронов в попытке воссоздать условия, существовавшие через миллионную долю секунды после Большого взрыва. Эта самая большая машина на свете называется, что логично, Большой адронный коллайдер.
Легкая асимметрия вещества и антивещества в кварк-лептонном бульоне сказалась и на адронах, на сей раз это привело к поразительным результатам.
Вселенная продолжала остывать, и количество энергии, доступной для спонтанного создания частиц, уменьшалось. В адронную эру мимолетные фотоны уже не могли использовать E = mc>2 для создания пар кварков-антикварков. Мало того, фотоны, возникавшие при остаточных аннигиляциях, отдавали энергию расширяющейся Вселенной и охлаждались ниже порога, необходимого для создания пар адронов-антиадронов. На каждый миллиард аннигиляций, порождавших миллиард фотонов, оставался один адрон. Этим-то одиночкам и досталось все веселье: они стали источником вещества, из которого возникли галактики, звезды, планеты и тюльпаны.
Если бы между веществом и антивеществом не было перевеса в одну частичку на миллиард, вся масса во Вселенной аннигилировала бы, и остался бы космос, состоящий из фотонов и больше ничего: «да будет свет», доведенное до предела.
Вселенная достигла размеров в несколько световых лет[1] – примерно таково расстояние от Солнца до ближайших звезд. По-прежнему довольно жарко – миллиард градусов – и при этой температуре продолжается выпечка электронов, которые то появляются, то исчезают вместе со своими собратьями-позитронами. Но в постоянно расширяющейся и остывающей Вселенной их дни (точнее, секунды) сочтены. Закон, действовавший сначала для кварков, потом для адронов, действует и для электронов: в конце концов остается только один электрон на миллиард. Остальные аннигилируют с позитронами, своими двойниками из антивещества, в море фотонов.
Примерно в это время на каждый протон «замораживается» по одному электрону. Космос остывает, температура падает уже ниже ста миллионов градусов, и протоны связываются с другими протонами, а также с нейтронами: так формируются ядра атомов и зарождается Вселенная, в которой 90 % ядер – водород и 10 % – гелий плюс мизерное количество дейтерия («тяжелого» водорода), трития (еще более тяжелого водорода) и лития.
После этого еще 380 000 лет ничего особенного с нашим бульоном из частиц не происходит. Все эти тысячелетия температура достаточно высока, чтобы электроны свободно летали среди фотонов, раскидывая их туда-сюда по мере взаимодействия друг с другом.
Однако этой вольнице приходит конец, как только температура Вселенной опускается ниже 3000 градусов (примерно вдвое ниже температуры видимой поверхности Солнца) и свободные электроны начинают присоединяться к ядрам. В результате этого союза все кругом заливает видимый свет, навсегда запечатлев в небесах, где в этот момент находилось все вещество, и образование частиц и атомов в первичной Вселенной завершается.
В первый миллиард лет Вселенная продолжала расширяться и остывать, а вещество силой гравитации стягивалось в массивные конгломераты, которые мы зовем галактиками. Их сформировалось почти сто миллиардов, в каждой – сотни миллиардов звезд, в ядрах которых шел термоядерный синтез. Эти звезды, масса которых была примерно в десять раз больше массы Солнца, создавали в своих недрах давление и температуру, при которых вырабатываются десятки химических элементов тяжелее водорода, в том числе и те, из которых состоят планеты и всевозможная жизнь на них, если она есть.
